【宏虹分享】帶您了解太赫茲成像技術及系統方案（下）

上篇我們介紹了太赫茲成像技術的優勢、太赫茲成像技術的分類與特點（太赫茲成像技術可以分為脈衝波成像與連續波成像）、TDS成像系統和連續波掃描成像系統的優勢與局限。今天帶您了解實時成像技術、雷達成像技術的實現方法及優劣勢是什麼？宏虹除了連續波掃描成像系統還有哪些連續太赫茲波成像系統？

01 連續太赫茲成像技術

連續太赫茲在功率方面表現更為突出，基於量子級聯雷射器原理的連續太赫茲源功率可高達幾十毫瓦，而基於肖特基二極體倍頻器的連續亞太赫茲源的功率高達上百毫瓦。因此在測量更厚的材料、實現更好的穿透效果方面，連續太赫茲波成像技術會更有優勢。基於連續太赫茲波的成像方法由於成像方式與產生方法的不同存在多個種類，每種成像方法各有優劣，用戶可根據自己的具體應用需求來選擇合適的連續太赫茲成像系統。

1.1連續太赫茲波掃描成像系統（詳見上篇，點擊此處查看）

該系統構造能夠實現最佳亞毫米的成像分辨率，並且能夠同時探測到樣本的反射與透射太赫茲信號，這對太赫茲信號的分析提供了更多可參考的數據，對於太赫茲成像技術的延展研究也提供了更多可能性。

1.2太赫茲面陣成像

在上篇提到的成像系統包括TDS系統的缺點都在於其冗長的掃描時間，而太赫茲面陣成像技術的出現解決了這一難題。

面陣成像系統通常利用高功率的連續太赫茲源，准直後形成較為均勻的照明區域照射到樣本上，然後通過太赫茲相機進行面成像區域的採集，能夠實現均勻照明區域內的實時圖像呈現。此類系統的探測器多采用微測熱輻射計（Microbolometer），針對太赫茲波段做了優化，且不需要製冷環境，是目前主流的太赫茲成像探測器。其像素大小有多種選擇，市面上最高有1280×1024的陣列，而幀頻通常在50或60Hz，能夠滿足常規的成像速度需要。

太赫茲面陣成像技術雖然實現了實時成像，但是它目前仍存在單次成像面積有限的問題，受限於光源均勻後的功率，早期一般使用二氧化碳等氣體雷射器充作太赫茲源。但是氣體雷射器不僅體積龐大而且價格高昂，直到量子級聯雷射器（QCL）的發明為太赫茲面陣成像技術的研究帶來了轉機，其在2~5T範圍具有mW級別的輸出功率，且設備結構緊密，成為面陣成像技術的首選光源。

宏虹提供的TeraEyes-HV系統就基於上述成像原理，其構成為：2~5T範圍的QCL太赫茲源，最高功率達7mW；成像模塊，包括自動對準模塊與光源均衡模塊，實現光斑的均勻照明，最大照明面積10×10cm2；搭配太赫茲鏡頭的太赫茲相機，進行實時圖像的採集，每分鐘採集50幀圖像。整個系統組件完整，調整樣本與相機的位置即可反射/透射式實時成像，最優可實現250um的分辨率。

使用QCL太赫茲源成像在均勻光斑的時候存在一個缺點，其輸出為相干光，並且太赫茲波長在毫米和亞毫米量級，經過透鏡光闌等光學孔徑時，出射波束易發生衍射和乾涉。經過成像系統中多次光學元件反射後的光束輪廓，光斑周圍會存在明顯的干涉條紋，如上圖所示，在最終樣本成像效果中會存在明顯影響。

宏虹提供的TeraEyes-HV實時成像系統採用了一種創新的成像設置，包括一個可編程的光束控制單元，能夠產生均勻而靈活的照明模式，從而解決了發射相干性帶來的限制。輻射通過光束控制單元傳播，通過振鏡對雷射束進行快速控制，從而產生合適的照明模式。光束控制單元是完全可編程的，照明模式可以定制，以適應不同的樣本尺寸和應用。通過這種方法減少了衍射造成的成像干擾，進一步提高了信噪比。

因此，基於QCL源與太赫茲相機的連續太赫茲波成像系統能夠實時成像，對於想要觀察動態變化的樣本的內部情況等應用場景是最佳選擇方案。

1.3 太赫茲雷達掃描成像：

太赫茲面陣成像技術雖然實現了實時動態的成像效果，但是其探測方式只能收集樣本反射/透射信號的強度信息，在信息採集的全面性存在局限。而基於連續太赫茲源，想要獲得更多的太赫茲信息（幅度、相位以及深度信息），連續波調頻（FMCW）太赫茲雷達是一個不錯的選擇。

FMCW太赫茲雷達通常整合了發射和探測的功能，因此單體結構更為緊密。太赫茲波的產生同樣是基於倍頻器等原理，其輸出頻率主要在亞太赫茲波段（<1THz），因此成像分辨率通常在mm級別。而探測是基於外差探測的混頻器原理，連續太赫茲波經過線性/鋸齒波/三角波等調製，作用到樣本上並採集其反射信號，通過混頻器輸出中頻信號，而中頻信號反映了樣本的距離（深度訊息）。

目前，太赫茲波雷達的核心產生與探測主要有兩種方法：一種是基於III-V族半導體材料的肖特基二極管倍頻器，穩定性高以及動態範圍、探測速率等成像表現更好，當然同樣價格更高；另一種則是基於矽基材料，能夠將倍頻器、混頻器等諸多功能電路集成在一張芯片上，因此成本與設備體積都會大大減少，而在穩定性和成像性能表現上稍遜一籌。