太赫兹层析成像.PDF

太赫兹层析成像 对于反射式太赫兹成像系统所得到的样品数据，如果用层析重构算法的话，再 加上太赫兹光的独特性质，就可以用来研究样品的内部结构。层析成像技术使太赫 兹成像可以扩展到能够研究物体复杂的内部结构，而且还可以对它进行一维或二维 成像。利用延迟时间和强度各不相同的反射脉冲，层析成像可以使样品的内部结构 直观的显现出来。例如，对软盘进行层析成像，空气－塑料外壳，塑料外壳－磁性 存储介质，磁性存储介质－塑料外壳，外壳－空气以及塑料外壳－金属等界面都能 延迟入射脉冲，并改变其强度。如果要研究多层物质的各个复杂介质界面上的信息 时，可以利用菲涅尔 （Fresnel ）方程和迭代算法来解决。另外，根据宽带太赫兹脉 冲的各个不同的傅立叶分量，使用菲涅尔透镜也可以得到样品各个深度的图像。这 是因为菲涅尔透镜的焦距是与频率相关的。 图5-12 软盘的太赫兹波形 如图5-12所示，a波形为入射太赫兹脉冲波形。其中，脉冲主峰后面的小波动 是由光路中残余的水气对太赫兹的吸收所造成的，但它对实验结果影响不大。b波 形为反射波形，它是由入射波形的一系列“克隆”波形所组成的，这些波形分别对 应于各个介质界面的反射，而且它们的偏振和振幅是由各个界面的反射系数所决定 的。塑料外壳的前后表面所反射回的4个波形能够很清楚的在图中看出来。然而， 由于磁性记录材料的厚度很小，它的前后表面所反射的波形没有分离开，显示为一 个畸变波形。在通常情况下，当太赫兹脉冲通过被测物体后，所反射回来的波形与 原入射波形相比，在形状上会有很大的差异。但是在这里，由于塑料对太赫兹有很 小的吸收，且色散也小，所以它的反射波形与原波形相比几乎没有多大的改变。 c波形是对b波形求过数值傅立叶去卷积（numerical Fourier de-convolution ）后 的波形。随后，再用小波滤波去掉低频背景噪声。由此，就可以比较精确的确定各 个反射界面的位置。 图5-13 （a ）传统意义上的软盘太赫兹反射成像图，（b ）软盘的层析成像图 如图5-13所示，a 图是对软盘部分所成的太赫兹反射成像图，它是根据全反射 功率所重构出来的太赫兹图像。在图中可以清楚的分辨出软盘的塑料外壳、圆形记 录磁盘、金属盘心。b 图为a 图的纵坐标y ＝15mm处软盘的太赫兹层析“切片”图， 图中的每处横坐标（x ）所对应的波形都是延迟时间的函数。另外，它是根据图5- 12 中的波形c所恢复出来的。在b 图中，沿太赫兹脉冲的传播方向，可以清楚的看出 软盘的各个部分所在的位置坐标，如前后表面、金属盘心，以及磁盘等。在图中还 可以看到一些伪迹（artifacts ）现象的存在，如金属盘心后面的部分，它是由各个 界面的多次反射导致；另外，还有磁盘部分的明显的不连续性，这是由于塑料外壳 的前表面的厚度变化所引起的。 图5-14 太赫兹－CT成像系统 太赫兹计算机层析（computed tomography, CT ）和衍射层析（DT ）都是根据 透射测定法来重构物体内部结构的。太赫兹－CT光谱成像系统如图5-14所示，这 是对一个乒乓球所做的CT成像。从图中可以清晰的看出球体的基本形状及其附着 的塑料棒。其中，实验数据的获取可以利用单周期脉冲（single-shot ）成像系统的 啁啾探测脉冲来实现。乒乓球是内心中空的塑料球体，在X-Y平面对其扫描，且同 0 时绕其纵（Z ）轴自转。在这里如果以18 的投射角扫描100×100的图像大约需要1 小时的时间，但是利用这些根据计算机层析算法足以能够重构出小球的3维（3D ） 剖面图。小球的CT剖面图可见图5-14 的左下角，为了便于观看它的内部结构，去 掉了小球的1/4。太赫兹－CT成像的空间分辨率等于旋转角度乘上到物体边缘的旋 转半径。对于这个小球，它的半径维2cm ，所以图中球面处的空间分辨率为 3.5mm 。