高分辨率太赫兹实时成像-TeraCascade 1000

照明图案可调的THz光束整形单元

此次与IMS纳米电子团队的合作旨在克服传统全场成像的限制,实现实时高分辨率的太赫兹成像系统的研发。这种成像技术需要完全照明被摄样本,利用多传感器探测器以获取视频帧下的实时图像信息流。因为太赫兹辐射会在一个宽感应区域内发散,所以这项技术也受信噪比的影响限制。基于量子级联激光器(QCL)的mW级别太赫兹源,例如TeraCascade1000,能极大提高实时图像的信噪比,同时实现太赫兹频率范围(本案例下是2.5THz)的空间分辨率。不过,太赫兹量子级联激光器的强相干性也暴露了一个缺点:成像路径差会导致探测器面阵出现干涉条纹,影响图像清晰度和稳定性。

如此背景下,IMS纳米电子团队与Lytid创造性的开发了一种独特成像装置,结合可编程的光束整形单元,该单元可以产生均匀且可灵活调整的照明光束,从而避免辐射相干干扰。此光学装置由mW级,频率2.5THz的太赫兹辐射驱动,TeraCascade 1000作为太赫兹源。控制单元内,激光光束经过反射镜调校后,提供适合成像的照明。被摄样本经光线传播反射,产生的图像由测辐射热相机捕获,此相机装配了TeraLens镜头(40mm – f/0.83 – x0.22)。其中,相机探测器的帧率经调整后,能收集信号并产生图像,提高实时图像的信噪比。另外,光束整形单元是完全可编程的,因此能够生成不同照明样式,以匹配实际的样本尺寸和应用。

无光束整形
光束整形后

在这里,我们也展示了光束匀化和无匀化下的太赫兹照明分布。可以看到,在传统成像装置中,由于光学组件的多种反射,太赫兹光束轮廓出现了可见的干涉条纹。最后,利用Lytid与IMS共同研发的可编程光束整形单元,我们突破了这些设计上的限制。

这项创新技术实现了定制化、匀化的光束照明,满足用户不同应用、样本尺寸和实际探测需求。右图展示了一个经光束整形定制的图案。

应用实例与效果展示

可编程匀化照明图案的创新驱动了一些应用,实际性能也有所提高,如在不同实时成像照明应用场景。下面,我们展示了此技术在线扫描成像和全场成像应用的实例。我们的实时成像系统还可以探索更多的可能性。

信噪比增强的高分辨率线扫描成像

这里为线扫描成像模式设置。匀化照明图案保持静态,相机实时线扫描通过的表面凹凸的聚丙烯样本。透射的辐射由测辐射热相机收集。此成像模式能实现高信噪比、高分辨率的实时重建,展现了其在无损检测的工业应用的高适配性。

全场匀化实时二维图案成像

下面是全场成像图例;这些图像的标准采集时间为160ms,2.5THz频率下可获取的分辨率为250μm。

20欧元钞票水印
3D打印的迷宫,内有金属球珠
树叶
ref
20欧元钞票上的全息条纹
3D打印陶瓷微流控芯片

断层图像重建

此动图展示了内含金属物质(一些针头和金属球珠)泡沫立方体不同立面的实时全场图像合成。这个过程中获得的所有图像最后会构成3D重建。