武麗敏 徐德剛 王與燁? 葛梅蘭李海濱 王澤龍 姚建銓

1) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院， 激光與光電子研究所， 天津 300072)

2) (天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072)

太赫茲成像技術(shù)是醫(yī)學(xué)成像的候選技術(shù)之一， 尤其是連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像有望實(shí)現(xiàn)術(shù)中快速成像， 是目前研究的熱點(diǎn)課題.本文理論研究了成像角度對(duì)反射信號(hào)和衰減全反射穿透深度的影響， 獲得了適用于反射和衰減全反射成像的太赫茲波成像角度.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了全反射棱鏡， 通過反射窗口和全反射棱鏡快速切換的方式， 實(shí)現(xiàn)了共光路連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射雙模式成像.以蒸餾水和豬肉為樣品，實(shí)驗(yàn)研究了連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像.結(jié)果表明， 與反射成像相比， 連續(xù)太赫茲衰減全反射成像具有成像分辨率高、圖像對(duì)比度高和信號(hào)穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)， 且可以準(zhǔn)確獲得樣品反射率.太赫茲衰減全反射成像技術(shù)更有助于實(shí)現(xiàn)樣品的高靈敏度成像.

1 引 言

基于太赫茲波(THz wave)的安全性、穿透性和指紋譜等特性， 太赫茲波成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于安全檢查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和無損探傷等方面[1].根據(jù)源的不同， 太赫茲成像可分為兩種: 脈沖太赫茲成像和連續(xù)太赫茲成像.脈沖太赫茲成像可同時(shí)獲得樣品成像和光譜信息.1995年， Hu等[2]通過在太赫茲時(shí)域光譜儀中增添二維掃描移動(dòng)平臺(tái)， 首次實(shí)現(xiàn)脈沖太赫茲成像.基于時(shí)域光譜的脈沖太赫茲成像也是目前應(yīng)用最廣泛的太赫茲脈沖成像， 其是通過檢測(cè)樣品的相位和振幅， 并經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗头治霁@得樣品的太赫茲圖像[3，4].然而，因采用延遲裝置使得成像時(shí)間較長.后來， 科研人員采用基于參量振蕩和差頻方法獲得的頻率連續(xù)可調(diào)諧太赫茲輻射源， 實(shí)現(xiàn)了脈沖太赫茲成像[5，6].此類脈沖太赫茲成像通過檢測(cè)樣品強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行成像， 成像速度較快.然而， 其太赫茲輻射源的輸出功率通常較低， 限制了此類脈沖成像的廣泛應(yīng)用.連續(xù)太赫茲成像是通過頻率固定的輻射源， 獲得樣品強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行成像[7].常見用于連續(xù)太赫茲成像的輻射源包括反向波振蕩器、耿氏振蕩器、肖特基二極管、太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器和太赫茲光泵氣體激光器.反向波振蕩器、耿氏振蕩器和肖特基二極管的輸出頻率均較低， 這使得成像分辨率較低[8].太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器和太赫茲光泵氣體激光器輸出頻率和功率均較高， 有望實(shí)現(xiàn)高分辨率和高信噪比成像.因此， 與脈沖成像相比， 連續(xù)太赫茲成像有望實(shí)現(xiàn)快速高質(zhì)量成像.

根據(jù)樣品與太赫茲波相互作用方式的不同， 太赫茲成像模式有三種: 透射成像、反射成像和衰減全反射成像.透射成像是發(fā)展最早的成像模式， 通過太赫茲波與樣品相互作用后的透射信號(hào)成像.對(duì)于在檢測(cè)波長具有高吸收特性的樣品， 透射成像需要對(duì)樣品進(jìn)行處理(如: 生物組織需要進(jìn)行切片處理)， 這使得樣品制作復(fù)雜， 也限制了透射成像的應(yīng)用范圍.與透射成像相比， 反射成像和衰減全反射成像不需要復(fù)雜的樣品制作過程.反射成像是發(fā)展較早和應(yīng)用最廣泛的成像模式[9，10].反射成像是通過太赫茲波與樣品相互作用后的反射信號(hào)進(jìn)行成像， 獲得的樣品信號(hào)通常較弱.因此， 反射成像需要輸出功率較高的太赫茲輻射源[11，12].基于樣品不同深度位置的折射率和吸收系數(shù)不同， 反射成像還可實(shí)現(xiàn)樣品一定深度的太赫茲成像[13，14].對(duì)于獲取樣品反射率， 反射成像需要檢測(cè)對(duì)太赫茲波有高反射特性的樣品(如金鏡)獲得參考信號(hào)[15]， 這使得實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜.反射成像受樣品表面不均勻性引起的漫反射現(xiàn)象影響嚴(yán)重， 使得反射信號(hào)較弱[16].另外， 連續(xù)太赫茲反射成像受反射窗口厚度引起的干涉現(xiàn)象影響嚴(yán)重， 導(dǎo)致獲得樣品的準(zhǔn)確反射率較困難.衰減全反射成像是基于倏逝波與樣品的相互作用而成像， 其可通過檢測(cè)有無樣品的信號(hào)比值獲得樣品反射率[11].衰減全反射成像通常采用具有高折射率材料的全反射棱鏡進(jìn)行成像， 故其有望實(shí)現(xiàn)高分辨率成像[17].衰減全反射成像的穿透深度較低， 僅適用于樣品表面檢測(cè).因穿透深度低， 衰減全反射成像對(duì)太赫茲波的衰減較小， 故對(duì)輻射源的輸出功率要求較低[18].由以上分析可知， 反射和衰減全反射成像模式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn).為了結(jié)合這兩種成像模式的優(yōu)點(diǎn)， 研究共光路反射和衰減全反射成像是有必要的.

連續(xù)太赫茲反射成像(TR)發(fā)展較早.2003年，張希成等[19]為了檢測(cè)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事的原因， 搭建了第一套小型化、便攜式連續(xù)太赫茲反射成像系統(tǒng)， 并證明了太赫茲成像技術(shù)在無損檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì).此后， 連續(xù)太赫茲反射成像得到了廣泛關(guān)注并進(jìn)行深入研究.為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲反射快速成像， Lee等[20]采用太赫茲氣體激光器和焦平面陣列探測(cè)器， 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)太赫茲實(shí)時(shí)反射成像.然而， 此系統(tǒng)成像分辨率較低， 無法實(shí)現(xiàn)樣品邊界的有效識(shí)別.進(jìn)一步， Watts等[21]將壓縮感知成像與近場(chǎng)成像相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)分辨率達(dá)9 μm的高速太赫茲反射成像.盡管近場(chǎng)成像可實(shí)現(xiàn)高分辨率， 然而壓縮感知的成像能力因受算法限制， 將其應(yīng)用于所有樣品較困難.與之相比， 基于點(diǎn)掃描的連續(xù)太赫茲反射成像更易于樣品的高精確度檢測(cè).為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)太赫茲反射高對(duì)比度成像， Doradla等[22]研究了連續(xù)太赫茲反射偏振成像， 實(shí)驗(yàn)證明采用正交偏振有助于提高太赫茲反射成像的圖像對(duì)比度.然而， 此方法會(huì)造成極大的能量損失， 導(dǎo)致成像信噪比較低.為了提高連續(xù)太赫茲反射成像分辨率， Chernomyrdin等[23]基于固體浸沒透鏡技術(shù)， 將連續(xù)太赫茲反射成像的空間分辨率提高到了0.15λ—0.3λ之間.與連續(xù)太赫茲反射成像相比，連續(xù)太赫茲衰減全反射成像(ATR)發(fā)展較晚.2016年， 本課題組開發(fā)了基于垂直點(diǎn)掃描的連續(xù)太赫茲衰減全反射成像系統(tǒng)[11].為了避免二次反射對(duì)衰減全反射成像的影響， 我們又研究了基于水平點(diǎn)掃描的連續(xù)太赫茲衰減全反射成像系統(tǒng)[24].目前， 關(guān)于反射成像和衰減全反射成像的研究均為相互獨(dú)立， 相互獨(dú)立的成像系統(tǒng)具有系統(tǒng)復(fù)雜、操作繁瑣和不易于樣品快速檢測(cè)的局限性.為了更好地比較樣品在反射和衰減全反射模式下的成像效果， 研究共光路連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射雙模式成像系統(tǒng)更有助于實(shí)際應(yīng)用.

本文理論研究了成像角度對(duì)反射和衰減全反射成像的影響， 獲得適用于連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像的太赫茲波成像角度.通過反射窗口和全反射棱鏡快速切換的方式， 搭建了基于太赫茲光泵氣體激光器為輻射源的共光路連續(xù)太赫茲雙模式成像系統(tǒng).以蒸餾水和豬肉組織為樣品， 實(shí)驗(yàn)分析了雙模式成像的成像分辨率、獲得反射信號(hào)穩(wěn)定性、圖像對(duì)比度和獲得樣品反射率的準(zhǔn)確性.結(jié)果表明， 衰減全反射模式更有助于實(shí)現(xiàn)樣品的高靈敏度成像.

2 理論分析

反射成像中， 為了降低漫反射對(duì)成像結(jié)果的影響， 通常將表面均勻的反射窗口(reflection window)置于樣品表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖1為太赫茲波在反射窗口中傳輸光路的簡(jiǎn)化示意圖.其中， 紅色實(shí)線表示太赫茲波傳輸路徑;n1，n2和n3分別為空氣、成像窗口和樣品的折射率;θ1和θ2分別為太赫茲波在反射窗口前表面的入射角和折射角;θ3和d分別為太赫茲波在反射窗口后表面的入射角和反射窗口的厚度.反射窗口材料需要對(duì)太赫茲波有高透特性， 通常采用石英(quartz，n= 2.12 @2.52 THz)材料.

圖1 太赫茲波在成像窗口中傳輸示意圖(此處以反射為例)Fig.1.Schematic diagram of terahertz wave propagation in the imaging window (take reflection as an example).

為了使得更多的太赫茲波能量進(jìn)入反射窗口，反射窗口前表面需要對(duì)太赫茲波有高透射特性.為了獲得高反射信號(hào)， 反射窗口后表面需對(duì)太赫茲波有高反射特性.太赫茲波在反射窗口界面的反射系數(shù)、透射系數(shù)， 可由菲涅耳公式獲得， 其公式為[25]:

其中，rP，rS，tP和tS分別為P和S偏振在界面處的反射系數(shù)和透射系數(shù).P偏振下連續(xù)太赫茲反射成像的樣品反射率RP的公式可表示為[26]

其中，r12P和r23P分別為P偏振波在反射窗口前表面和后表面的反射系數(shù)，δ= (4πn2dcosθ2)/λ為相移.此處以石英和空氣(n= 1)的界面為例，理論計(jì)算了太赫茲波的反射和透射系數(shù).圖2(a)為不同偏振下太赫茲波在反射窗口界面的反射系數(shù)和透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系.其中，θB為太赫茲波在界面的布魯斯特角(tanθB=n2/n1).由圖2可知， P偏振下太赫茲波的反射系數(shù)低于S偏振，其可實(shí)現(xiàn)更多的太赫茲波入射到反射窗口中.也就是說， 與S偏振相比， P偏振有助于抑制鏡面反射，故本文采用P偏振進(jìn)行雙模式成像性能研究.另外， 當(dāng)20° ＜θ1＜θB時(shí)， P偏振在反射窗口前表面滿足低反射特性要求; 此時(shí)太赫茲波在反射窗口后表面的入射角為13.5° ＜θ3＜ 25.2°， 太赫茲波在反射窗口后表面滿足高反射特性要求.P偏振波經(jīng)反射窗口前表面透射、后表面反射和前表面透射后的反射系數(shù)r公式可簡(jiǎn)化為

其中，t12P和t21P分別為P偏振波由空氣入射到反射窗口中和由反射窗口入射到空氣中時(shí)在反射窗口前表面的透射系數(shù).圖2(b)為反射系數(shù)r與入射角θ1的關(guān)系.可知， 反射系數(shù)與入射角成反比， 選擇較小的入射角度有利于獲得較高且穩(wěn)定的反射信號(hào).考慮實(shí)驗(yàn)中采用聚焦裝置對(duì)太赫茲光斑進(jìn)行聚焦， 為了滿足大面積成像和避免聚焦裝置對(duì)成像光路的遮擋， 反射成像系統(tǒng)選用入射角θ1為30°.

圖2 (a) S和P偏振波在界面處的反射系數(shù)和透射系數(shù)與入射角θ1的關(guān)系; (b)太赫茲波經(jīng)反射窗口前表面透射、后表面反射和前表面透射后的反射系數(shù)r與入射角θ1的關(guān)系Fig.2.(a) The relation between the reflection coefficient and transmission coefficient of S and P polarized waves at the interface and the incident angle θ1; (b) the relation between the reflection coefficient r and incident angle θ1 of terahertz wave after the front surface transmission， back surface reflection and front surface transmission through reflection window.

衰減全反射成像中， 太赫茲波在成像窗口與樣品界面的入射角θ3需大于臨界角θC， 實(shí)驗(yàn)中通常采用高于樣品折射率的材料作為全反射成像窗口，如高阻硅材料(silicon，n= 3.42 @ 2.52 THz).衰減全反射模式是基于倏逝波的衰減而成像， 倏逝波的振幅隨穿透深度的增加急驟衰減.穿透深度x0公式如下[17]:

其中，n2和n3分別為全反射棱鏡材料和待測(cè)樣品的折射率，λ為入射波的波長.圖3為基于高阻硅全反射成像窗口， 理論獲得樣品折射率值位于1.40—2.05時(shí)， 倏逝波穿透深度x0與太赫茲在成像面入射角θ3的關(guān)系.

圖3 采用高阻硅全反射棱鏡時(shí)， 倏逝波在不同樣品中的穿透深度與入射角的關(guān)系Fig.3.The relationship between the penetration depth and the incident angle of evanescent wave in different samples，when using the high resistance silicon total reflection prism.

由圖3可知， 當(dāng)θ3≥ 43°時(shí)穿透深度值變化較小.因此， 基于此角度進(jìn)行了全反射成像窗口設(shè)計(jì).通常生物組織的折射率小于水的折射率(n=2.05)， 水為待測(cè)樣品時(shí)的臨界角為34.8°.為了實(shí)現(xiàn)共光路反射和衰減全反射成像研究， 考慮到適用于反射成像的入射角θ1， 設(shè)計(jì)了底角為49°的等腰三角形狀的全反射棱鏡.此時(shí)太赫茲波在成像面的入射角大于臨界角(43.5° ＞ 34.8°)， 適用于生物組織的衰減全反射成像研究.進(jìn)一步， P偏振下連續(xù)太赫茲衰減全反射成像的樣品反射率RP的公式可表示為[27]:

其中，θ4為太赫茲波在全反射棱鏡成像面的折射角.

3 研究方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖4為基于點(diǎn)掃描的共光路連續(xù)太赫茲衰減全反射和反射成像系統(tǒng)示意圖， 通過將全反射棱鏡替換為反射窗口即可實(shí)現(xiàn)雙模式成像.此研究中，采用CO2激光泵浦的連續(xù)THz波氣體激光器(FIRL100， Edinburgh Instruments Ltd， UK)作為THz源， 其具有輸出功率高、連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)、可調(diào)諧、光束質(zhì)量好及穩(wěn)定性好的特點(diǎn).在頻率為2.52 THz時(shí)， 輸出功率最高可達(dá)150 mW.因此，我們將2.52 THz作為工作頻率.采用可在室溫工作且穩(wěn)定性好的高萊探測(cè)器(GC-1P， Tydex Ltd.)接收太赫茲波.考慮到高萊探測(cè)器的慢響應(yīng)特性，采用頻率為50 Hz的斬波器對(duì)連續(xù)太赫茲波進(jìn)行調(diào)制.為了降低激光器的功率波動(dòng)對(duì)成像結(jié)果的影響， 采用太赫茲波線柵偏振器(Microtech Instruments， Inc.)將太赫茲波分成兩束: 參考光和信號(hào)光.信號(hào)光通過平面鏡和離軸拋物面鏡的準(zhǔn)直和聚焦后， 以30°角斜入射至成像窗口表面， 太赫茲波焦點(diǎn)位于成像窗口下表面， 即待測(cè)樣品與成像窗口的界面.反射成像采用材料為石英的矩形成像窗口， 其厚度為0.5 mm.對(duì)于全反射成像， 采用等腰三角形狀的全反射棱鏡作為成像窗口.其材料為高阻硅， 大小為34.8 mm × 34.8 mm × 20.0 mm且底角為49°.攜帶樣品信息的太赫茲波分別經(jīng)過兩個(gè)離軸拋物面鏡的準(zhǔn)直和聚焦后， 最終被太赫茲波探測(cè)器接收.離軸拋物面鏡1和2的焦距為2 in(1 in = 25.4 mm)，F(xiàn)值為1.離軸拋物面鏡3的焦距為4 in，F(xiàn)值為2.離軸拋物面鏡1和2的離軸角度為30°， 離軸拋物面鏡3的離軸角度為90°.待測(cè)樣品被置于載物臺(tái)上， 待測(cè)樣品上表面與成像窗口下表面緊密接觸， 載物臺(tái)、樣品和成像窗口均被固定于x-y線性掃描移動(dòng)平臺(tái)(SIGMA KOKI CO.， LTD.)上進(jìn)行逐點(diǎn)掃描成像， 掃描速率約為10 pixel/s.實(shí)驗(yàn)中， 掃描步長設(shè)置為200 μm，溫度控制在23 ℃.

圖4 共光路連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像系統(tǒng)示意圖Fig.4.Schematic diagram of common path continuous terahertz reflection and attenuation total reflection imaging system.

3.2 數(shù)據(jù)分析

為了降低激光器的功率波動(dòng)對(duì)成像結(jié)果的影響， 采用樣品信號(hào)與參考信號(hào)的比值作為樣品二維成像的像素值.考慮到成像窗口的不均勻性， 通過有無樣品太赫茲成像圖中對(duì)應(yīng)的像素比值(即相對(duì)反射率)獲得樣品太赫茲圖像.將有無樣品的太赫茲波成像圖分別定義為Fsample和Fsubstrate， 樣品的相對(duì)反射率為Fsample/Fsubstrate.便于比較， 反射和衰減全反射模式中樣品的相對(duì)反射率分別表示為Rr和Ra.為了比較不同模式的圖像對(duì)比度， 采用文獻(xiàn)[22]中的圖像對(duì)比度公式:

其中，RrsM和Rrsm分別為樣品太赫茲圖像區(qū)域的最大值和最小值.

4 結(jié)果討論

首先， 研究了不同折射率成像窗口對(duì)反射成像分辨率的影響.此處， 通過檢測(cè)對(duì)太赫茲波有高吸收特性的瓊脂來估算成像系統(tǒng)分辨率.一塊長方形的瓊脂被置于成像窗口的底部中央， 以40 μm的步長沿x軸方向掃描瓊脂邊界.基于水平面內(nèi)x軸方向最高峰90%和最低峰10%之間的距離獲得系統(tǒng)成像分辨率， 如圖5所示.由圖可知， 采用高阻硅和石英材料為反射窗口時(shí)的成像分辨率分別為480 μm和500 μm.采用高折射材料的反射窗口可獲得較高的成像分辨率， 這源于遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)的分辨率可由瑞利判據(jù)(r=0.61λ/(nsinθ) )來衡量，瑞利判據(jù)與介質(zhì)的折射率n成正比.另外， 根據(jù)瑞利判據(jù)， 采用石英反射窗口的理論成像分辨率值應(yīng)為采用高阻硅反射窗口時(shí)的約1.6倍.然而， 采用高阻硅成像窗口時(shí)的實(shí)際成像分辨率僅比采用石英反射窗口時(shí)提高20 μm.這是因?yàn)槌上裣到y(tǒng)的分辨率與太赫茲光的空間角θ成正比， 當(dāng)采用高折射率的成像窗口時(shí)因色散原因?qū)?dǎo)致太赫茲波的空間角減小， 太赫茲波空間角的減少抵消了高折射率材料產(chǎn)生的高增益， 故成像分辨率提高較少[17].根據(jù)瑞利判據(jù)， 成像分辨率還與入射光波長成正比，選擇較小波長的入射光可提高成像分辨率.然而，因本文采用的太赫茲激光器在頻率為2.52 THz時(shí)輸出高且穩(wěn)定的太赫茲波， 故采用2.52 THz作為本研究的工作頻率.此系統(tǒng)采用離軸拋物面鏡作為THz波聚焦裝置， THz波通過離軸拋物面鏡聚焦過程可看作是高斯光束經(jīng)透鏡的聚焦過程.根據(jù)w(z)=w0/sqrt{1+[πw0/(λf)]2}可得， 當(dāng)離軸拋物面鏡的空間角一定情況下， 聚焦光斑尺寸w(z)與離軸拋物面鏡聚焦長度f成正比， 選擇較小焦距的離軸拋物面鏡可提高成像分辨率.另外， 此系統(tǒng)采用水平點(diǎn)掃描成像， 其成像面與太赫茲波入射面有一定的夾角， 系統(tǒng)成像分辨率與太赫茲波入射角的余弦值成反比關(guān)系， 故采用較小的太赫茲波入射角有助于提高成像分辨率.然而， 綜合考慮離軸拋物面鏡有一定的大小和此成像系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)大面積成像， 本系統(tǒng)采用焦距為50.8 mm及離軸角度為30°的離軸拋物面鏡.

圖5 采用石英和高阻硅材料為成像窗口時(shí)， 連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像系統(tǒng)的分辨率Fig.5.The resolution of continuous terahertz reflection and attenuated total reflection imaging systems， when the quartz and the high resistance silicon materials are used as imaging windows.

為了對(duì)不同成像模式進(jìn)行對(duì)比， 基于高阻硅材料的全反射棱鏡獲得衰減全反射成像系統(tǒng)分辨率，如圖5所示.由圖可知， 衰減全反射成像的分辨率為400 μm.與反射成像相比， 衰減全反射模式的成像分辨率較大.這源于在成像光路和聚焦裝置一定的情況下， 太赫茲波在全反射成像中的入射角小于反射成像中的入射角， 使得太赫茲波在全反射成像中的空間角較大.故選用較高折射率的成像窗口或采用較大的太赫茲波空間角， 均可獲得較高的成像分辨率.

進(jìn)一步， 分析了不同成像模式對(duì)待測(cè)樣品反射率的影響.根據(jù)(3)式和(6)式， 樣品的反射率主要與成像窗口折射率、入射角度和偏振有關(guān).為了避免成像窗口折射率對(duì)反射率的影響， 反射和衰減全反射成像窗口均采用高阻硅材料.反射窗口的厚度均為0.5 mm， 此厚度在檢測(cè)波長下滿足干涉相減.圖6為實(shí)驗(yàn)獲得連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像模式下， 蒸餾水的相對(duì)反射率與入射角θ3的關(guān)系， 同時(shí)計(jì)算了蒸餾水在此雙模式下的理論反射率與入射角θ3的關(guān)系.由圖可知， 衰減全反射模式下的實(shí)驗(yàn)相對(duì)反射率Ra與理論反射率RP一致，如圖中藍(lán)三角和綠色線所示.這是因?yàn)樗p全反射是基于樣品對(duì)太赫茲波的衰減而成像， 當(dāng)無樣品時(shí)僅存在全反射棱鏡介質(zhì)的散射和吸收損耗， 對(duì)樣品來說此過程入射的太赫茲波無衰減; 有無樣品信號(hào)的比值去除了全反射棱鏡衰減對(duì)樣品檢測(cè)結(jié)果的影響.然而反射模式下， 實(shí)驗(yàn)相對(duì)反射率Rr比理論反射率RP大， 如圖中紅三角和黑線所示.考慮到反射系統(tǒng)中通常采用金鏡獲得參考信號(hào)， 本實(shí)驗(yàn)將金鏡置于樣品成像處進(jìn)行成像獲得參考信號(hào)， 并采用樣品信號(hào)與參考信號(hào)相除的方式獲得樣品反射率， 如圖中紫色三角所示.實(shí)驗(yàn)獲得的反射率仍然高于理論反射率， 這是因?yàn)檫B續(xù)太赫茲反射成像中獲得的樣品信號(hào)是太赫茲波在反射窗口前表面和后表面反射信號(hào)矢量疊加后的強(qiáng)度信號(hào)， 反射窗口厚度引起的干涉現(xiàn)象使得準(zhǔn)確獲得樣品反射率較困難.通過將反射和衰減全反射模式合并在同一個(gè)系統(tǒng)中， 可彌補(bǔ)反射成像無法準(zhǔn)確獲得樣品反射率的缺點(diǎn).

圖6 反射和衰減全反射模式下， 基于理論和實(shí)驗(yàn)獲得蒸餾水的反射率和相對(duì)反射率Fig.6.The reflectivity and relative reflectivity of distilled water obtained theoretically and experimentally under the reflection and attenuation total reflection modes.

圖7 為連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射模式下水滴的太赫茲成像.其中， 反射成像采用石英和高阻硅材料的反射窗口且其厚度均為0.5 mm， 衰減全反射模式采用材料為高阻硅的全反射棱鏡.圖7(a)—(c)為水滴的可見光圖(visual image)，圖7(a)—(c)中的水滴面積分別為4 mm × 4 mm，6 mm × 6 mm和7 mm × 7 mm.圖7(d)—(f)分別為與圖7(a)—(c)相對(duì)應(yīng)的太赫茲波成像圖.右邊的顏色條表示相對(duì)反射率， 相對(duì)反射率越低表示樣品對(duì)太赫茲波的吸收越大.圖7(d)—(f)中成像區(qū)域?qū)?yīng)的像素值分別為40 × 40 = 1600， 40 ×40 = 1600和60 × 60 = 3600， 檢測(cè)時(shí)間分別約為2.6， 2.6， 6.0 min.雙模式成像過程中， 需要進(jìn)行反射窗口和全反射棱鏡的快速切換及樣品重新放置，此操作過程大約1 min.總之， 通過此共光路連續(xù)太赫茲雙模式成像系統(tǒng)獲得圖7(e)和圖7(f)共需要約10 min.太赫茲波高吸收區(qū)域?yàn)樗螀^(qū)域， 不同成像模式均可實(shí)現(xiàn)水滴與成像窗口的明顯區(qū)分.圖7(g)—(i)分別為圖7(d)—(f)中白色虛線處對(duì)應(yīng)的相對(duì)反射率值.采用石英和高阻硅材料為反射窗口時(shí)， 水滴區(qū)域的相對(duì)反射率分別為47% ± 3%和65% ± 5%.根據(jù)(3)式， 采用石英反射窗口時(shí)水滴的理論反射率高于采用高阻硅反射窗口時(shí)的理論反射率， 這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.另外采用高阻硅反射窗口時(shí)水滴相對(duì)反射率值的動(dòng)態(tài)范圍較大， 這源于太赫茲波在石英反射窗口前表面的反射率(9%)小于采用高阻硅反射窗口的反射率(23%)，石英反射窗口能較好的避免鏡面反射.衰減全反射模式下， 水滴區(qū)域的相對(duì)反射率為24% ± 1%.與反射模式相比， 衰減全反射具有較好的信號(hào)穩(wěn)定性.這可能源于反射模式受干涉現(xiàn)象和表面漫反射影響嚴(yán)重.

圖7 水滴在不同成像模式下的 (a)—(c)可見光圖和(d)—(f)太赫茲成像圖， (g)—(i)分別為圖7(d)—(f)中白色虛線處對(duì)應(yīng)的相對(duì)反射率圖Fig.7.(a)—(c) Visible image and (d)—(f) terahertz image of water droplets in different imaging modes， (g)—(i) the relative reflectivity map corresponding to the white dotted line in Fig.7(d)—(f)， respectively.

進(jìn)一步， 基于共光路連續(xù)太赫茲雙模式成像系統(tǒng)進(jìn)行生物組織成像研究.圖8(a)為豬肉組織置于石英反射窗口后表面的實(shí)物圖.由圖可知， 豬肉組織的部分區(qū)域并未與反射窗口緊密貼合.圖8(b)和圖8(c)為分別采用高阻硅和石英材料為反射窗口時(shí)， 豬肉組織的連續(xù)太赫茲反射成像.由圖可知，不同材料反射窗口均可實(shí)現(xiàn)肌肉和脂肪組織區(qū)域的明顯區(qū)分， 然而石英反射窗口下的太赫茲反射成像能夠更多的反映樣品細(xì)節(jié)信息.結(jié)果表明， 盡管高阻硅反射窗口可獲得較高的成像分辨率， 然而石英反射窗口更有助于抑制鏡面反射來獲得樣品信息.為了對(duì)比連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像模式在生物組織成像時(shí)的效果， 采用內(nèi)部具有較小脂肪區(qū)域(圖8(d)中①處虛線間的距離約為1 mm)的豬肉組織進(jìn)行成像， 如圖8(d)所示.因高阻硅對(duì)可見光的透過率較低， 故僅給出待測(cè)豬肉組織的實(shí)物圖.圖8(e)和圖8(f)為分別采用石英反射窗口和高阻硅全反射棱鏡， 獲得的豬肉組織太赫茲成像圖.與反射成像相比， 太赫茲衰減全反射成像能更好的顯示組織中的細(xì)微結(jié)構(gòu)信息.這證明了連續(xù)太赫茲衰減全反射成像具有較高的成像分辨率和檢測(cè)靈敏度.根據(jù)(7)式， 圖8(b)，(c)，(e)，(f)的圖像對(duì)比度分別為0.07， 0.17， 0.17， 0.64.這證明了反射成像模式采用石英反射窗口有助于增強(qiáng)圖像對(duì)比度， 衰減全反射成像模式的圖像對(duì)比度高于反射成像模式.在衰減全反射成像中， 因成像面不同位置對(duì)應(yīng)的太赫茲波在全反射棱鏡中的傳輸路徑不同，導(dǎo)致衰減全反射成像具有分辨率退化的缺點(diǎn)[28];而反射成像中成像面不同位置的成像分辨率相同，可實(shí)現(xiàn)樣品大面積成像.因此， 對(duì)于大尺寸樣本可首先采用反射成像進(jìn)行樣品初步鑒定， 然后采用衰減全反射成像進(jìn)行細(xì)節(jié)準(zhǔn)確分析.

圖8 (a) 豬肉組織與反射窗口緊密接觸可見光圖; (b)， (c) 采用高阻硅和石英材料為反射窗口時(shí)的太赫茲成像圖; (d) 未覆蓋成像窗口時(shí)豬肉組織可見光圖; (e)， (f) 反射和衰減全反射模式下豬肉組織的太赫茲成像圖Fig.8.(a) Visible image of pork tissue in close contact with the reflection window; (b)， (c) the terahertz images of pork tissue in reflective and attenuated total reflection modes using high resistance silicon and quartz materials as reflection windows， (d) visible image of pork tissue when the imaging window is not covered; (e)， (f) the terahertz images of pork tissue in reflective and attenuated total reflection modes respectively.

5 結(jié) 論

本文研究了共光路連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像.理論分析了成像角度對(duì)反射信號(hào)和倏逝波穿透深度的影響， 獲得適用于反射和衰減全反射的太赫茲波成像角度.當(dāng)入射角度θ1為30°時(shí)， 反射成像模式在獲得較高反射信號(hào)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)大面積成像; 當(dāng)太赫茲在全反射棱鏡成像面的入射角大于43°時(shí)， 可避免不同樣品引起的穿透深度不同問題.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了底角為49°的全反射棱鏡，通過反射窗口和全反射棱鏡快速切換的方式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)太赫茲雙模式成像.反射和衰減全反射模式下的成像分辨率分別為400 μm和500 μm.通過對(duì)水滴和豬肉組織成像， 實(shí)驗(yàn)證明了衰減全反射模式下相對(duì)反射率值的波動(dòng)僅為1%且成像對(duì)比度達(dá)0.64， 其具有較高的成像檢測(cè)靈敏度.本研究為了解連續(xù)太赫茲反射和衰減全反射成像模式間的成像差異提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)， 為太赫茲成像的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ).