為解決主流太赫茲成像技術在成像速度、分辨力、清晰度以及制造成本等方面存在相互制約的問題,提出一種基于光控型空間調(diào)制器的太赫茲波快速成像技術。這一技術利用新型硅基太赫茲調(diào)制材料與數(shù)字微鏡陣列器件（DMD）的集成,實現(xiàn)了基于單像素太赫茲探測器的快速成像,進一步分析了太赫茲波束分布特性和高斯背景對成像效果的影響,并提出了有效的優(yōu)化方法。實驗結果證實這種新型技術能夠顯著提高成像分辨力和清晰度。 

【文章來源】：太赫茲科學與電子信息學報. 2020,18(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

基于太赫茲空間調(diào)制器的單像素太赫茲成像系統(tǒng)

保持了較高的激光吸收率(在638nm時的反射率低至16%)，而且由于表面存在微結構，使激光和硅的接觸面積增加，從而增加了調(diào)制器的有效調(diào)控面積，在單位面積內(nèi)產(chǎn)生更多的光生載流子。在硅表面上，刻蝕出的每一個微結構，其表面積是刻蝕前的1.73倍。總之，在638nm泵浦激光作用下獲得高達90%的調(diào)制深度，微結構硅基調(diào)制器特別適合與DLP相結合構建太赫茲空間調(diào)制器。1.3太赫茲成像原理DLP可以精確控制每個微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，從而可以精確控制被反射投影在硅片上的激光分布圖形。被DLP投影在硅片上的光分布圖是一種類“黑白”圖像，見圖3。投影的圖像由“黑”和“白”2種基本像素組成：“白”方塊代表硅片上有激光照射的區(qū)域，表示該區(qū)域的光生載流子濃度相對較高，對太赫茲波透射有阻礙效果；“黑”方塊表示沒有激光照射的區(qū)域，幾乎不對太赫茲波的透射有影響。因此每一次投影的圖案(可以稱作mask)，只有在有光區(qū)域的太赫茲波被調(diào)制了。太赫茲波穿透過空間型太赫茲調(diào)制器后，其強度就有了空間分布。在被劃分的每個小區(qū)域內(nèi)，太赫茲波透射后的強度不僅與透射前的強度有關，而且與該區(qū)域有無光照有關。因此如果假設每次只把一個小方塊區(qū)域的光投影到調(diào)制器上，且逐次更改投影區(qū)域，通過對比有、無光照時的信號變化幅度，得出該光照區(qū)域的太赫茲信號強度，進而可以重構出太赫茲波的強度分布，即可以對太赫茲波進行成像。假設太赫茲波和投影激光被劃分成一個M×N的矩陣，并設太赫茲原始的信號分布為S。空間型太赫茲調(diào)制器相對于太赫茲的透射率分布為T，被空間光調(diào)制器調(diào)制后的信號變?yōu)镸S。Dk為在第k次投影時探測器接收的太赫茲信號強度，(i,j)為每次投影時不同區(qū)域的空間坐標，有：i,ji,ji,jSTMS，,[0,1]ijT(1),11NNkijijDMS

多次(小于傳統(tǒng)所必需的投影次數(shù))mask的投影，每個像素的信息都會包含在壓縮采集的數(shù)據(jù)之中。不僅如此，如果采用特殊的mask編碼方式(如隨機矩陣和Hadamard矩陣)，還會一定程度上降低每次采集時的系統(tǒng)誤差，提高采集信號的信噪比。再將數(shù)據(jù)導入電腦進行解碼并重構出圖像，解碼的過程不是編碼的簡單逆過程，而是以信號稀疏分解中已有的重構算法為依據(jù)，在概率意義上實現(xiàn)信號的精確重構或一定誤差范圍內(nèi)的近似重構。基于硅微米結構太赫茲調(diào)制器具有動態(tài)調(diào)制深度和調(diào)制，本文仿真分析了壓縮感知方法提高成像速度的可行性，其結果見圖5。圖5(a)為目標圖片，其尺寸為11×11，總共121個像素點，按照傳統(tǒng)的掃描方法，需要121次采集才能重構該圖片。圖5(c)~圖5(d)都是利用壓縮感知重構的圖片，采用稀疏貝葉斯(SparseBayesianLearning，SBL)信號重構算法。采集次數(shù)分別為44次、52次和54次。從圖5(d)可以看出，在壓縮度為45%時，可以完全重構出目標圖案。通過仿真發(fā)現(xiàn)，采用壓縮感知技術，可以有效減少采集次數(shù)，提高成像速度。4結論本文研究了單像素太赫茲成像系統(tǒng)的成像原理，并進行了成像系統(tǒng)的搭建。完成了成像實驗，并分別對實驗室自制的微結構硅基調(diào)制器的光控太赫茲調(diào)制器和利用普通高阻硅作調(diào)制器的成像結果進行了對比分析。結果表明，表面微米結構很大程度上提升了硅對激光的吸收和利用率，提升了成像效果，更重要的是，在短波長激光波段內(nèi)有著較好的調(diào)制效果。因此采用微結構硅基調(diào)制器，DLP的使用性能達到最大。實驗中采用的高斯背景消除方法也對提升成像效果起到了顯著作用。本實驗采用逐點掃描的成像方式，驗證了單像素太赫茲相機的可行性，但還存在著成像時間成本高的缺陷。為此，可以采用壓縮感知技術，減少投影mask數(shù)量和成像的時

【參考文獻】：
期刊論文
[1]硅基金字塔結構光控太赫茲調(diào)制器[J]. 金濃,朱韻樵,申朝陽,楊青慧,張懷武,文岐業(yè).  太赫茲科學與電子信息學報. 2019(02)



本文編號：3306543