太赫兹射线成像的进展概况

首都师范大学学报(自然科学版)第26卷　第1期2005年3月

Journal of Capital N ormal University

(Natural Science Edition )

V ol.26,N o.1Mar.　2005

太赫兹射线成像的进展概况

张　蕾1

　徐新龙2

　汪　力2

　李福利

1

(1首都师范大学物理系　北京　100037;2中国科学院物理研究所光物理开放实验室　北京　100080)

摘要

太赫兹辐射介于微波和红外之间.本文回顾了太赫兹射线成像的进展情况.与微波、X 射线、核磁共振NMR

(nuclear magnetic res onance )成像相比,太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息,而且能给出频率域的信息,以及在光

频、微波和X 射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息.太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会造成对生物样品的电离损伤,而且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤.因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来新的关键性的突破.

关键词:太赫兹成像,

中图分类号:O 43311

收稿日期:2004203217

基金项目:国家自然科学基金(10174048号).

0　引　言

TH z 辐射通常指的是波长在1mm ～100μ

m (300G H z ～3TH z )区间的远红外电磁辐射,其波段位于微

波和红外之间.在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生和检测方法,人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致该波段被称为电磁波谱中的TH z 空隙,该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口.近十几年来,超快激光技术的迅速发展,为TH z 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使TH z 辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展.TH z 技术之所以引起广泛的关注,是由于太赫兹电磁波有其独特的特点,它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方

面具有重大的科学价值和广阔的应用前景.

[1]

可见光、X 射线、电子束、中红外、近红外和超声波是在医学诊断、材料分析以及工业生产等诸多领域中广泛应用的主要成像信号源.与以上的光源相比,太赫兹电磁波对于某些电介质材料具有很强的

穿透效果.除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外,还可以通过相位测量得到折射率的空间分布,从而获得与材料相关的的更多信息,这是太赫兹时域光谱的独特优点.电磁波成像,相对于可见光和X 射线具有非常强的互补特征,特别适合于可见光不能透过、而X 射线成像的对比度又不够的场合.此外,太赫兹电磁波的光子能量极低(1TH z 约411meV ),没有X 射线的电离性质(光子能量在keV 量级),不会对材料造成破坏.TH z 电磁波可以穿过衣服和皮肤,但是它不会像X 射线一样对人体构成伤害.利用TH z 电磁波可以检查机场通关的旅客与行李,检查邮件中是否藏有毒品、炭疽菌粉或炸弹等违禁物品.TH z 脉冲成像的非破坏性和非接触性对研究珍贵艺术作品和研究古生物化石等样品很有价值.例如透过艺术品的表面对内部可视化,无需接触或破坏易损的纸张而确定书籍的内容等.另外,对诸如火焰的热分析、塑料封装集成电路的引线图成像、聚合物内部的气泡以及陶瓷中的裂缝探测等,太赫兹时域谱成像都是极有前途的技术.自太赫兹电磁波被首次用于成像以来,各种太赫兹成像技术相继问世.如太赫兹近场成像技术,太赫兹层析成像技

术,时域太赫兹逆向变换成像技术等等.

[2,3]

1　太赫兹成像的像素信息

太赫兹电磁波成像的基本原理是:利用已知波

形的太赫兹电磁波作为成像射线,透过成像样品(或从样品反射)的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布.将透射的太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息记录下来,并经过适当的数字处理和频谱分析,就能得到样品的太赫兹电磁波的三维图像.太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,每一像源对应一个太赫兹时域谱,通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频率响应谱.

一般地,首先未加样品时,利用Sam pling 方法得到TH z 波形,作为参考信息;然后加进样品,得出该像素的波形信息.传统的透射型太赫兹成像,每个像素能给出的信息包括:归一化峰值振幅信息,归一化脉冲延迟信息,脉宽信息等,视具体情况去提取各种不同的信息.太赫兹成像的时域信息的情况见图1:其中红色波形是参考信号,白色波形是通过样品后的信号,它包含有样品的信息,具体的信息提取可用图示的方程

.

图1　太赫兹成像的时域信息

经过傅立叶变换后,我们得到频域的信息,它包

括,1,某一频率的振幅变化信息;2,某一频率的位相变化信息;3,某一频率范围的强度积分信息;4,某一频率的1n (a/n )值(同时考虑了振幅和位相)以及透射率,时间延迟,吸收率,折射率等,如图2所示.

2　太赫兹扫描成像

211　透射型扫描成像

第一个太赫兹成像,是1995年由Hu Binbinm [4]

等人得到.该成像系统是基于电光太赫兹时域光谱技术.太赫兹时域波形通过800纳米的脉冲激光激发光导体转换到太赫兹的范围内得到,他们利用数字电路进行实时的数字信号处理.

每个像素的信息

图2　太赫兹成像的频域信息

是通过在1～3太赫兹范围内积分得到,具体光路图

见图3.他们未采用锁相放大器,因此S/N 很低,对于数据处理他们提出语音识别算法用于提取振幅和位相信息.对于415cm 3213cm 树叶的太赫兹成像,共取了30000像素,频谱分辨率为0102TH z ,空间分辨率为0125mm.图4为利用透射扫描成像获得的

新鲜树叶和两天后的树叶的含水量的分布图像.

图3

　太赫兹透射型扫描成像示意图

图4　新鲜树叶和两天后的树叶的含水量分布图像

212　反射型扫描成像

D 1M 1D orney 等人

[5,6]

研究了太赫兹反射成像的情况,从物体反射回来的波被用来作为成像信息.太

赫兹脉冲从折射率不连续的物体反射回来,时间延迟必然与物体的折射率有关(见图5).为了提高深

9

3第1期张　雷等:太赫兹射线成像的进展概况

度分辨率,他们利用了位相转换的干涉仪装置,这可以去除背景噪声,从而可以大大提高信噪比.提高了

深度分辨率,可分辨相干长度的2%[5～10]

.

图5　太赫兹反射型扫描成像示意图

3　太赫兹实时成像

311　利用电光晶体和CCD 实现实时成像

利用电光晶体和CC D 实现实时成像,与扫描成

像相比,可以很快地提高信息的提取速度.由于CC D 不能捕捉到太赫兹信号,为此必须利用电光晶体进行频率转换.每个像素点所对应的电光晶体的折射率的变化是由太赫兹电场的强度所决定的.当另一束激光穿过电光晶体时,由于太赫兹场所引起的晶体的折射率的变化将会调制通过晶体的激光,因而太赫兹信息被转化为光频信息.

1996年,张希成等人利用上述原理实现了实时

成像,具体的光路图见图6[11,12]

.图7为他们获得的活体昆虫(蚯蚓和蚂蚁)的二维实时像

.

图6　

太赫兹实时成像示意图

图7　蚯蚓和蚂蚁的二维TH z 实时像

312　利用啁啾脉冲技术进行的太赫兹实时成像

Zhiping Jiang 等人发展了利用啁啾脉冲技术进

行的太赫兹实时成像的技术.他们将探测光脉冲经

过光栅对色散后在频域展宽,利用电光晶体将TH z 波形编码到展宽的光脉冲上,然后在CC D 上一次性探测到太赫兹的波形.为此要求先拍一张背景图,然后将信号图减去背景图可得到TH z 波形.这样可以进一步提高信号的提取速率,具体的光路图见图8.在此基础上他们拓展了条纹像机的测量范围,具体

的光路图见图9[13～15]

.

图8　

利用啁啾脉冲技术进行的太赫兹实时成像示意图

图9　利用E O (电光晶体)和条纹照像机实现实时成像示意图

图10　太赫兹近场成像示意图

4　太赫兹近场成像

为了进一步提高分辨率,S 1Hunsche 等人[16]

在1998年第一次提出太赫兹近场成像.我们知道在近场情况下,分辨率不再由波长决定而是决定于孔径的大小.他们利用A1掺Cr/Ni 合金做成尖锥形结构,将分辨率提高到λ/4,如图10所示.

4首都师范大学学报(自然科学版)2005年

Mitrofanov 等人报道了基于光导天线机制的太

赫兹近场成像.他们在<100>的半绝缘G aAs (50

μm )上用分子束外延法生长上1μm 厚的G aAs ,为了控制刻蚀,在LTG aAs 和G aAs 间用50nm 的A1G aAs 隔开;然后在LTG aAs 上制作长60μm 的偶极天线.为了得到尖锥形状,他们将50μm 厚的G aAs 用Photoresist 遮上,通过刻蚀的方法刻在偶极天线上形

成的锥形高25μm ,如图11所示

[17～19]

.

图11　基于光导天线机制的太赫兹近场成像

5　太赫兹CT

张希成等人报道了太赫兹射线计算机辅助成像(T 2ray com puted tom ography )即T 2ray CT.在实验中,一波长为800nm ,脉宽为130fs ,单脉冲能量为700μJ ,重复频率为1kH z 的钛宝石锁模激光器被用于产生太赫兹脉冲.太赫兹脉冲的发射体是115cm X 115cm 的G aAs 光电导天线.太赫兹波经过准直后,用焦

距为15cm 的离轴抛物面反射镜会聚在成像样品

上.该系统中太赫兹波的焦斑为1mm ,瑞利长度为20mm.透过样品的太赫兹波经准直后再由离轴抛物面反射镜将其聚焦到一块ZnT e 电光晶体上,成像的方式是在x 和z 方向上平移扫描成像样品,这等效于用细太赫兹波束扫描成像样品.为提高成像速率,

实验中应用了啁啾探测光的技术探测太赫兹波[20]

.

太赫兹CT 成像技术更受重视,它与X 射线CT 比较,可以获得更丰富的信息来处理图像,不仅可以获得被测物的吸收率的三维分布,而且可以获得折射率或介电常数的三维分布.图12和图13是示意图.

6　展　望

太赫兹成像技术还可以对纳米材料、半导体材

图12　太赫兹CT

实验图

图12　一个球状物体的太赫兹CT 像

料或超导体材料物理特性的分布特征进行研究,如测量超导电流的矢量场分布图像等.而且太赫兹成像在生物医学样品中的应用也已经得到了广泛的关注.太赫兹近场成像技术已经使得其分辨率达到了波长以下的尺度,利用近场成像和“动态孔径”的原理,目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米.在较长的一段时间里,太赫兹成像技术应用中的障碍之一在于设备复杂昂贵,对图像信息的分析和处理技术也有待进一步实用化.目前,TH z 系统已经实现了小型化,而连续TH z 辐射的产生技术也将使TH z 技术不再依赖于昂贵的飞秒激光器.可以乐观

地期望,随着技术的发展,TH z 成像的应用前景将是

非常广阔的.

1

4第1期张　雷等:太赫兹射线成像的进展概况

24首都师范大学学报(自然科学版)2005年

参考文献

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20　Zhang X C.T2ray C om puted T om ography.H ot T opic LE OS News Letter,2002

R evie w of the Progress of T2R ay Im aging

Zhang Lei1　Xu X inlong2　Wang Li2　Li Fuli1

(1Physics Department,Capital N ormal University,Beijing　100037;

2Laboratory of Optical Physics,Institute of Physics,The Chinese Academy of Science,Beijing　100080)

Abstract

In this paper,We present an overview of recent progress of T2ray imaging.C om pared with microwave,X2ray imaging and NMR(nuclear magnetic res onance),T2ray imaging can give us not only the density picture but als o the phase in formation within the frequency range.The unique rotational,vibrational and translational responses of materials (m olecular,radicals and ions)within the TH z range provide in formation that is generally absent in optical,X2ray and NMR images.The im portant characteristic of T2ray is that it has potential to detect the nature of low energy processes in physics,chemistry and biomedicine without the ionization.T2rays can als o easily penetrate and image inside m ost dielectric materials and nano materials,which make it a useful and com plementary imaging s ource.We als o believe that the“key”application of terahertz technology is for T2ray imaging bio2body.

K ey w ords:T2ray imaging,

太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用

太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用太赫兹波(teraliertz wave)通常是指频率为0. 1一10. 0TH的电磁波。该波段介于微波和红外线之间，因此低频太赫兹波也称作亚毫米波，而高频部分则称作远红外线。太赫兹波具有微波和红外线的优点，实现了二者功能的互补。首先，太赫兹波信号具有良好的时间分辨率，但同时与微波相比还具有很好的空间分辨率，很多生物大分子的振动和转动能级都位于该波段，因此太赫兹波具有在生物医学领域应用的基础。其次，太赫兹波具有定的穿透性，能穿透陶瓷和塑料等物质，因此能够探测定深度的生物组织信息。最为重要的是，太赫兹波的光子能量极小会像x射线样产生电离效应，小会对生物组织和机体造成破坏。太赫兹波的这些特点使其在生物医学领域的应用逐渐得到重视，并取得了定的进展。 在众多生物医学领域的研究中，肿瘤的诊断治疗无疑是研究的重点之。2011年《CA：临床医师癌症杂志》两次更新了全球及美国癌症统计数据:癌症患者人数明显上升，癌症己成为发达国家的首位死亡原囚，发展中国家的第2位死亡原囚。癌症的早期诊断及早期治疗是提高肿瘤治愈率和降低肿瘤患者死亡率的关键所在。尽管影像学检查是肿瘤早期诊断的重要手段之一，但病理学检查H.以来是肿瘤诊断的金标准，该方法在定程度上受病理医生诊断经验的影}}向，并有定的创伤性，小能作为肿瘤筛

查或者常规检查项目。囚此，寻找相对安全、便捷、特异度和敏感度均佳的肿瘤诊断方法，H.是肿瘤预防、诊断和治疗领域的难题。 本文总结了太赫兹成像技术在肿瘤检测领域的诸多进展，以期提供个新的视角和方向，对临床肿瘤检测方法进行有益的探索。 1 太赫兹光谱成像的原理 根据太赫兹源的不同，太赫兹系统分为连续波形和脉冲波形。连续波使用的是固定频率，需要的太赫兹波能量相对较大，对太赫兹源和探测都有定的要求。脉冲波形系统频碧范围较宽，较容易实现，应用也较为广泛，其中太赫兹时域光谱技术(teraliertz time-domain spectroscopy,Thz-TDS)是发展最早、应用较为成熟的技术。连续型和脉冲型波的探测原理基本相同，即己知波形的太赫兹波透过样品或从样品反射后包含了样品复介电常数的空间分布，采集并处理透射或反射过来的太赫兹波的强度和相位信息，就能得到样品的空间分布和组成特性，再进一步进步通过数字处理就叫得到图像。 根据样品探测方式不同，太赫兹系统分为透射式和反射式两种。图1 所示为透射式系统，反射式系统结构与此类似，只是其探测的是从样品反射的信号。两种系统的工作原理相同，即山锁模飞秒激光器发射的激光脉冲被分束器分成两束:束为抽运光，用来激发发射元件而产生太赫兹波;另束为探测光，用来探

太赫兹的相关产品及介绍说明

TDS 以及FDS 光谱系统的成像光束 我们的太赫兹成像相机是一款测量TDS 以及FDS光速轮廓的完美工具。TERASENSE与 TOPTICA研究者在我们的研发项目中已证实了这款产品的实用性。这个研发项目是继2015 年3月19日-20日在慕尼黑的TOPTICA总部举行的技术会议而产生的。我们对在这次在TDS 以及FDS系统的应用前景相当自信，这次的相互促进合作标志着一个新时代的到来，同时也 是标志TERASENSE成像仪的时代的到来。 太赫兹时域光谱(THz-TDS) 太赫兹时域光谱运用了光谱技术，通过这个技术材料的属性可通过太赫兹辐射短脉冲探测出来。生成和检测方案对样板材料在太赫兹辐射的振幅和相位的效果都是非常敏感的。脉冲太赫兹辐射是由光电导开关产生(GaAs 或者InGaAs/InP)产生的，通过femtosecond 激光照射。最后，事实上傅立叶变换的太赫兹振幅产生的太赫兹频谱的频率范围为0.1 – 5太赫兹。 Test of TeraSense camera operation with TDS system TeraSense相机在TDS系统的检测 50 GHz – 0.7 THz 频率范围 1.5 x 1.5 mm2像素大小 1 nW√Hz噪声等效功率 每秒高达50 帧 16x16, 32x32, 64x64 总像素型号光纤耦合InGaAs光电开关0.1 – 5 THz 带宽 >90 dB动态范围峰值 平均功率25 uW 100 MHz 脉冲重复率 太赫兹频域光谱(THz-FDS) 太赫兹频域光谱运用了光谱技术，通过这个技术材料的属性可用持续波(cw)太赫兹辐射探测出。辐射是通过在高带宽的光电导体中的光外差作用获得的：两个持续波激光的输出转换成太赫兹辐射，正是在不同频率的激光。光电混频器由一个小型金属-半导体-金属结构表示。使用偏压到半导体结构中，然后产生一个振荡在跳动频率的光电流。输出频率范围从50 GHz 高达1.5 THz。 Test of TeraSense camera operation with TDS system TeraSense相机在TDS系统的检测 50 GHz – 0.7 THz 频率范围InGaAs光混频器与蝶形天线

光场成像原理教学内容

光场成像原理

光场成像理论 目录 1. 光场概念 (2) 1.1 七维全光函数 (2) 1.2 全光函数的降维 (3) 2. 光场采集设备的发展与典型结构 (4) 2.1 多相机光场采集 (4) 2.2 单相机光场采集 (9) 3. 微透镜阵列的光场采集 (15) 3.1 基于针孔阵列的光场采集 (16) 3.2 基于微透镜阵列的光场采集 (18) 1. 光场概念 1.1 七维全光函数 光场(Light field)的概念最早于1936年由A.Gershun 提出，用以描述光在三维空间中的辐射传输特性。1991年，E.adelson 和J.Bergen 根据人眼对外部光线的视觉感知，提出全光函数(Plenoptic function)，利用七维函数表征场景中物体表面发出(或反射)的光线。 在全光函数可以表示为： 7(,,,,,,)P P x y z t θ?λ= 其中，,,x y z —表征光纤中任意一点的三维坐标； ,θ?—表征光纤传输方向 λ—表征光线波长

t —表示时间 此时，全光函数7(,,,,,,)P P x y z t θ?λ=表示了波长为λ的光线t 时刻经过三维空间中坐标为(,,)x y z 的点，且传播方向为(,)θ?的一条光线。与只包含位置信息的光场不同，全光函数的七维表示增加了光线的色彩信息及动态变化。 1.2 全光函数的降维 根据全光函数7(,,,,,,)P P x y z t θ?λ=的意义，当光线在自由空间中传播时，其频率(即波长λ)不发生变化，对于静态场，此时全光函数可由七维降至五维，即 5(,,,,)P P x y z θ?= 由于观察者往往受限于目标的成像范围，此时五维光场出现一位冗余，当给定光线在自由空间的辐射不发生变化，因此在限光器的空间范围内，五维光场可以表示为四维光场。 四维光场的参数化表征可有一下三种方式： 1) 方向-点参数化表政法。 利用光线与平面的交点(,)x y 和光线方向(,)θ?作为四维参数来描述光场中的光 线。 2) 球面光场参数表征法。 利用紧紧包围三维物体的球面上两点，可以表征球面封闭范围内任意一条光线的 传播。尽管该参数表征方式采样均匀，但无法表征与球面相切的光线。 3) 双平面参数化表征法。 双平面参数化表征法是采用光线与两个平行平面的焦点坐标来对光场 中光线进行参数化表征。其表达形式为(,,,)L s t u v ，其中(,)s t 和(,)u v 分表是光纤盒两平面的坐标交点。

太赫兹波谱与成像

太赫兹波谱与成像 太赫兹波简介 太赫兹波是对在电磁波谱中频率位于微波和红外辐射之间的所有电磁辐射的统称，通常也被称做太赫兹辐射、T射线、远红外等等。从频率的角度看，太赫兹波的频率在0.1THz~10THz的范围内(波长在3mm一30μm)，位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段，如图1;从能量的角度来看，太赫兹波的能量只有4.lmeV，介于电子与光子之间，是电子学和光学的交叉领域。 图1 太赫兹波在电磁波普中的位置 由于该频段介于微波和红外线之间，因此，它既不完全适合于光学理论，也不完全适合于微波的理论，用传统的方法很难获得太赫兹波。正是由于这个原因，尽管太赫兹波段两侧的红外和微波技术早已为人们所应用，而且技术非常的成熟，但是太赫兹波段仍然是电磁波谱研究上的一个“空白”地带，也就是科学家们通常所描述的“太赫兹空隙”。在上世纪八十年代以前，太赫兹波的产生和检测是从事太赫兹研究的基本出发点，也是太赫兹技术研究前进道路上的两大阻碍，这也正是科学家对该波段电磁辐射了解十分有限的主要原因。近几十年中，由于超快光电子技术与低尺度半导体技术取得了迅速发展，为太赫兹波段提供了稳定、可靠的光源与探测手段，太赫兹技术及其应用才取得蓬勃的发展。 太赫兹波的特性 太赫兹波位于光学和电子学交叉的研究领域，既不完全遵循光学的规律，也不完全属于电子学的范畴，它具有很多与众不同的优点: 1、能量低：太赫兹波的光子能量只有4.1毫电子伏(大约是X射线光子能量的1/106)，比各种化学键的键能要低，因此，当太赫兹光照射在生物体上时，不会产生对生物组织有害的电离反应。与光子能量在千电子伏数量级的X射线相比，这种不会因为电离而破坏被检测物质的特性，使太赫兹波在安全检查及生物医学领域的应用有强大的优势。

太赫兹(THz)技术

太赫兹(THz)技术 一、基本概念 (1) 1. 太赫兹波 (1) 2. 太赫兹波的特点 (1) 二、国内外研究现状 (2) 1. 美国 (3) 2. 欧洲 (3) 3. 亚洲 (3) 三、太赫兹技术的应用 (4) 1. 太赫兹雷达和成像 (4) 2. 太赫兹通信 (5) 3. 太赫兹安全检查 (6) 4. 太赫兹无损检测 (7) 5. 环境探测 (7) 6. 生物医学 (8) 7. 天文观测 (8) 8. 材料特性的研究 (9) 四、太赫兹技术的研究内容 (9) 1. 太赫兹辐射源 (9) 2. 太赫兹波段信号的探测 (10) 3. 太赫兹功能器件 (10) 五、我们能做些什么 (10)

一、基本概念 1.太赫兹波 太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。 2.太赫兹波的特点 THz波具有很多独特的性质。从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。 THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。 THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于) THz电磁波时域谱，并且具有对黑

光场成像原理

光场成像理论 目录 1. 光场概念 (1) 1.1 七维全光函数 (1) 1.2 全光函数的降维 (1) 2. 光场采集设备的发展与典型结构 (2) 2.1 多相机光场采集 (3) 2.2 单相机光场采集 (6) 3. 微透镜阵列的光场采集 (11) 3.1 基于针孔阵列的光场采集 (11) 3.2 基于微透镜阵列的光场采集 (13) 1. 光场概念 1.1七维全光函数 光场(Light field)的概念最早于1936年由A.Gershun 提出，用以描述光在三维空间中的辐射传输特性。1991年，E.adelson 和J.Bergen 根据人眼对外部光线的视觉感知，提出全光函数(Plenoptic function)，利用七维函数表征场景中物体表面发出(或反射)的光线。 在全光函数可以表示为： 7(,,,,,,)P P x y z t θ?λ= 其中，,,x y z —表征光纤中任意一点的三维坐标； ,θ?—表征光纤传输方向 λ—表征光线波长 t —表示时间 此时，全光函数7(,,,,,,)P P x y z t θ?λ=表示了波长为 λ的光线t 时刻经过三维空间中坐标为(,,)x y z 的点，且传播方向为(,)θ?的一条光线。与只包含位置信息的光场不同，全光函数的七维表示增加了光线的色彩信息及动态变化。 1.2 全光函数的降维

根据全光函数7(,,,,,,)P P x y z t θ?λ=的意义， 当光线在自由空间中传播时，其频率(即波长λ)不发生变化，对于静态场，此时全光函数可由七维降至五维，即 5(,,,,)P P x y z θ?= 由于观察者往往受限于目标的成像范围，此时五维光场出现一位冗余，当给定光线在自由空间的辐射不发生变化，因此在限光器的空间范围内，五维光场可以表示为四维光场。 四维光场的参数化表征可有一下三种方式： 1) 方向-点参数化表政法。 利用光线与平面的交点(,)x y 和光线方向(,)θ?作为四维参数来描述光场中的光线。 2) 球面光场参数表征法。 利用紧紧包围三维物体的球面上两点，可以表征球面封闭范围内任意一条光线的传播。尽管该参数表征方式采样均匀，但无法表征与球面相切的光线。 3) 双平面参数化表征法。 双平面参数化表征法是采用光线与两个平行平面的焦点坐标来对光场中光线进行参数化表征。其表达形式为(,,,)L s t u v ，其中(,)s t 和(,)u v 分表是光纤盒两平面的坐标交点。 由于实际中大部分成像系统都可以简化成两个相互平行的平面，如传统光学系统中的光瞳面和探测器像面，因此双平面参数化表征法具有较高的合理性和实用性。 图1.1 三种光场参数化模型 2. 光场采集设备的发展与典型结构 区别于传统成像方式，光场成像是一种计算成像技术，对捕获光场信息进行相应的数字处理才能得到相应的图像信息。从目前光场相机的结构组成上区分，可分为多相机阵列和单相机改造两种方式。 多相机阵列采集光场信息是通过相机阵列对同一目标进行成像，因为每一个相机分别处于不同视角，因此对应光场的一个方向采样。 单相机改造结构是利用在单个相机中引入光学调制元件，改变成像结构进行如何光场的

太赫兹技术简介

太赫兹技术 太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间·在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。 太赫兹介绍 可以预料，太赫兹技术将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。 随着THz科技的发展，它在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐、等多个重要领域具有的独特优越性和巨大的应用前景逐渐显露。太赫兹波的传输是太赫兹波通信系统研究中的一个重要组成部分，由于太赫兹波在自由空间中的传输损耗很大，从某种意义上说很难对它加以引导和控制。为了克服这个困难，急需可以传播太赫兹波的波导[1] 。 太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日

本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。太赫兹泛指频率在0.1～10太赫兹波段内的电磁波，处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域。频率上它要高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间。由于此交叉过渡区，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波的理论来研究。所以，上世纪九十年代以前，一度被人“遗忘”，也因此被称为“太赫兹空白”。 当前，各国纷纷加快了针对这唯一没有获得充分研究波段的探索，掀起一股研究太赫兹的热潮。那么，作为第五维战场空间的“拓展者”，太赫兹在军事领域具体有哪些应用？让我们走近一探究竟。太赫兹成像 远距离穿墙术，铸就反恐作战新利器。 如果问一下驻伊美军最怕的是什么，那答案肯定是路边炸弹，防不胜防的路边炸弹，成了驻伊美军不寒而栗的“头号杀手”，以至于让美国海军陆战队司令迈克尔·哈吉认为：“这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。”在美军撤离伊拉克之前路边炸弹造成的伤亡一度不绝于耳。与此同时，不断发生的细菌邮件、包裹炸弹和自杀式袭击也令人神经紧绷。似乎在传统威胁面前，高新技术也无能为力，事实真是如此吗？太赫兹的穿墙透视能力或许能够扭转这种被动局面。 太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。未来城市及反恐作战中，

太赫兹成像系统的研究_向博

2013年第4期 空间电子技术 SPACE ELECTＲONIC TECHNOLOGY 太赫兹成像系统的研究①向博，王龙，孟洪福，窦文斌 （东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096） 摘要：文章介绍了工作在375GHz的太赫兹成像系统，成像系统由3个透镜、返波管源、倍频器、戈莱盒、金属线栅和示波器等部分构成。并用硬币做了太赫兹反射成像实验以验证成像系统效果。太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度。实验结果表明成像效果良好，并采用非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。 关键词：太赫兹成像；返波管；非线性频谱外推法 D O I：10．3969/j．issn．1674-7135．2013．04．015 0引言 太赫兹信号具有很强的穿透力，太赫兹成像技术广泛应用于材料检测、非破坏性测试、安全扫描和医疗领域等［1］。太赫兹成像技术主要包括时域光谱成像、层析成像、全息成像和连续波成像等［2 9］。时域光谱成像系统在电场的时域波形中提取反映样品信息的数据进行成像。大体可以分为两类：振幅成像，主要反映了样品的厚度和吸收特性；相位成像，主要反映了样品厚度及其折射率信息［10］。有很多论文研究时域成像，工作带宽高，成像分辨率较高，但是扫描时间较长。相对于时域光谱成像，连续太赫兹成像只检测电磁波透过样品或经样品反射后的强度信息，不具备提供相位信息的能力，但是，连续太赫兹成像系统具有较高的辐射功率、系统简单、价格低、成像速度较快、使用方便的特点。对于扫描物体比较大而又只需要检测缺陷或者透射性质，连续太赫兹成像具有明显的优势。文献［8］报道了该方法用于检测美国航空航天局（NASA）的绝缘层结构内部缺陷。连续太赫兹成像采用的波源主要有气体激光器［6］、耿氏振荡器［11］和返波管［4］等。采用返波管作为太赫兹波源具有体积小、结构紧凑、功率较大和调频范围大等优点。 文章介绍在连续太赫兹成像方面做的研究工作，成像系统的构建主要包括硬件组成、数据采集控制软件和图像数据处理。太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度，得到了硬币太赫兹图像。实验结果表明成像效果良好，并采用灰度调整非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。 1成像实验系统 1．1成像原理 太赫兹成像基本原理是基于电磁波穿透目标物体后或经目标物体反射的强度分布，它能反映目标物体的介电特性的差别，包括损伤、干湿、表面形状和缺陷等造成的介电特性的差别。 1．2系统结构 连续太赫兹成像设置方案如图1（a）所示。毫米波波源采用Microtech Instruments公司设计的返波管（型号：QS2-1500），该返波管配上?2、?3、?6或?9的VDI公司设计的倍频器能产生连续可调频率覆盖范围为111GHz 1．5THz的单频点太赫兹波源，文章设计的验证实验采用三倍频器倍频输出375GHz的太赫兹。倍频器输出的太赫兹信号经对角喇叭辐射出高斯束，经透镜变换和汇聚照射到被成像目标物体上。由目标物体反射后的太赫兹信号经戈莱盒检测其幅度大小。透镜用聚四氟乙烯制成，焦距为60mm，F数为1；被成像物体目标放置在透镜2的焦点处，固定在二维扫描的装置上，如图1（a）所示。太赫兹波束被频率为23Hz的斩波器调 56 ①收稿日期：2013-10-08。 基金项目：国家自然科学基金（编号：61101020）；高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20110092120012）。

第十五章 太赫兹在无损检测及航天器检测中的应用

第十五章太赫兹在无损检测及航天器检测中的应用 15.1 应用时域太赫兹探测航天飞机隔离层中的缺陷 太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的探测。通过逐点扫描的方法得到各个点的时域波形。然后分析波形的变化来判断缺陷的大小，形状，位置和种类。太赫兹脉冲成像技术有微波成像系统的优点： （1）对非金属的穿透能力强，其衰减系数比超声波小2-3个数量级； （2）有极宽的频谱可供使用，可根据被测对象的特点选择不同的测试频率； （3）除能检测体积型缺陷外，还能检测x射线难以检测的平面型缺陷，如裂纹、分层、脱粘等； （4）非接触式检测，无需使用祸合剂，避免了祸合剂对特殊构件的污染和相互作用； （5）检测效率高，易于实现实时监控； （6）测量本身就是电信号，无需进行非电量的转换，从而简化了传感器与处理器的接口； （7）在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高低温环境中对检测信号的传播影响极小。 2003年2月1日，刚刚完成16天航行的哥伦比亚号航天飞机即将返回地球，还有16分钟着陆的时候，在距离得克萨斯上空62公里的高空发生爆炸。机上7名宇航员全部遇难。5个月之后，虽然尚未对事故原因做出明确的定论，但是事故调查委员会相信哥伦比亚号的悲剧应该归因于外置燃料箱的泡沫隔离层的脱粘所致，如图 15-1所示。

图15-1 哥伦比亚号航天飞机失事原因 如上图所示，（a）为哥伦比亚号航天飞机，图中白色箭头所指之处就是泡沫脱粘的地方，（b）外置燃料箱的泡沫隔离层内部结构的示意图，（c）航天飞机机翼被泡沫所砸出的洞。在初步报告中，调查委员会认为：根据地面上的长焦距摄像显示，在航天飞机升空的过程当中有一块泡沫材料脱落并与机身发生了撞击。导致这种悲剧的原因可能是由于泡沫中存有缺陷，一块手提箱大小的泡沫绝缘材料在起飞过程中发生脱离，然后击中航天飞机的左翼并在隔热板上砸出一个洞来。当航天飞机重返大气层的时候，隔热板上的这个洞使3000摄氏度的高温气体进入了左翼，融化了它的金属支架，最终导致机毁人亡。在一次模拟试验中，美国宇航局的研究人员将泡沫隔离块射向航天飞机机翼, 泡沫隔离块在飞机机翼的隔热板上撞出一个16英寸大小的洞。这一实验有力地支持了上述假设。据称，这已经不是第一次发生泡沫隔离材料撞击航天飞机的事情了，类似的情况在以前的发射中至少发生过7次。因此，泡沫材料中缺陷的检查成为确保之后航天飞机安全发射的关键所在。 太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测发射中缺陷的四种技术之一。这四种技术包括：太赫兹成像，X光成像，超声波成像和激光剪切力成像。已经证明：泡沫塑料材料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率。因此，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。图 15-2和图 15-3分别给出了航天飞机使用的泡沫绝缘材料SOFI（Sprayed-On Foam Insulation）在太赫兹频段的吸收率和折射率曲线，以及对它进行检测的太赫兹成像装置。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个

第十二章 太赫兹成像在生物医学中的应用

第十二章太赫兹成像在生物医学中的应用 12.1 发展机遇 太赫兹科学在医学方面存在大量机遇。例如，它可以帮助人们提高空间分辨率和数据获取速率；还能帮助人们更好地理解太赫兹在复杂介质中的传播；再如发展内窥镜来观察体内的上皮表层。 太赫兹科学在医学中应用的最好例子如图 12-1所示。利用太赫兹反射式成像，研究人员无需进入到生物体内就可以确定细胞癌肿瘤的范围和深度。另外，利用太赫兹技术还可以探测X射线所无法成像的龋齿，以及对骨组织的进行三维成像。 12.2 应用潜力 太赫兹辐射有望成为一种新的医学成像技术。水虽能强烈吸收太赫兹辐射，但不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异正好产生了成像对比度。对于牙齿、皮肤、乳房等器官的研究表明：太赫兹成像能发现其它成像技术无法观察到的特征。图 12-1就表明了太赫兹技术作为诊断工具的潜力。图中(a)部分给出了一个典型的皮肤癌的图像，从该图很难确定这个体内癌变的范围和深度。图 (b)和(c)中给出了它的宽带太赫兹反射图。其中(b)利用表面细节特征进行了一定的优化处理。(c)对200-300μm米的深度进行了优化处理。这两副图显示出了(a)中所无法看到的肿瘤范围。将(d)和(e)中标准的病理学照片与以上这些成像照片作对比，由这些图可以看出太赫兹成像技术在医学上的实力。

图 12-1 皮肤创伤的太赫兹图像 12.3 基本原理 太赫兹辐射具有对生物材料高分辨率（100μm）成像的潜力，因为它的成像对比度机制和目前的成像技术不同。虽然核磁共振能在不同深度成像，同时还会提供一些化学信息，但它不适用于表面或很薄的上皮组织层成像。超声技术基于组织对声波的反射和吸收，其分辨率极限为500μm。目前，研究人员有可能实现太赫兹技术与超声成像技术的相互结合。光学层析(OCT)技术利用飞秒近红外光在表面或表面附近成像。该技术可以提供很高的分辨率和真实的结构信息，但成像的深度限制在1-1.25mm，而且其对比度机制基于组织中光学参数的变化。另外还有一些采用共焦结构或高频谱成像的光学技术，它们也能用于组织的表征成像。值得一提的是，上述的所有光学方法和太赫兹成像技术都是相容的。 太赫兹成像可以提供组织表层下1-2cm的信息，而这一深度取决于组织中的水含量。虽然太赫兹图像的对比度与水含量有关，但局部环境的改变对观察到的信号也有显著的影响。在波导中传输的太赫兹或许能促进内窥方面的应用，同时探测器技术和成像算法的改进应该会使成像质量得到进一步提高。 12.4 太赫兹在生物医学中的应用 在生命科学和医学诊断学领域，太赫兹成像技术势必会与已有的成像技术相抗衡，甚至会超越后者。在这一领域中，太赫兹成像有着巨大的潜力。它是研究树木年代学、病理学等的有力工具。 12.4.1 树密度测绘 树木的宏观密度是木材和纸厂的一个关键参量，而且在木材加工过程中还是要经常测定它的宏观密度。但是从科学角度来说，还是木材的微观密度波动比较有研究价值。特别地，与树的年轮相关的不同密度有着非常高的利用价值，是树木年代学研究领域的中心。从这些年轮的密度轮廓，树木年代学家能得到气候变化的情况及过去几个世纪的森林燧石信息。 太赫兹成像能够有效的对数密度进行测量。为证明这一点，现以水青冈（山毛榉）实验为例。由于太赫兹辐射对水有很高的灵敏度，所以先将14×14×1.7mm3

基于光场成像原理的微纳结构检测方法研究

基于光场成像原理的微纳结构检测方法研究微纳技术的不断发展,各种微纳器件涌现,广泛应用于工程材料、国防科研、生物技术等领域。微纳技术已经成为衡量国家尖端科学技术水平的指标之一。而检测技术与微纳加工技术相辅相成,是加工精度的重要保障,检测方法不断的向高精度、快速三维检测的方向发展。近年来,随着光场相机的发展,作为计算光学成像领域的一个重要分支,光场成像技术不仅记录了三维物体的空间强度,而且能够捕获物 体辐射光线的传播方向信息。这为解决空间深度信息提取、快速三维重建、高精度测量等问题提供了新途径。光场成像技术高精度、快速三维检测的特点得到越来越多的关注。因此,本文提出基于光场成像原理的微纳结构检测方法,对光场检测原理、光场深度提取方法、微透镜阵列设计加工和检测系统进行了深入的理论和应用研究,旨在搭建一套完备的实验系统,对理论方法进行验证,为光场显微检测领域 提供可靠的参考。具体开展的研究工作和取得的研究结果如下。第一,研究光场成像当前理论成果,结合仿真实验,对检测光学模型和数学 模型进行研究。对光场图像的基本处理方法进行分析,结合实际光场图像和仿真图像进行分析。分别对光场重聚焦、光场极平面图像(Epipolar Plane Image,EPI)抽取、光场图像视角变换以及直接成像进行分析,为后续研究工作奠定基础。第二,深入分析了基于光场重聚焦的聚焦线索深度提取方法和基于EPI图像的视差匹配深度提取方法,提出光场数据分析与散焦相结合的双线索深度提取算法。克服了计算量大、边缘效应、精度不高、有毛刺的缺点。第三,对光刻胶的

曝光阈值特性做了充分的分析,并且对曝光阈值面形控制模型进行了深入的分析,对光刻胶相对浓度对于曝光量跟显影深度之间的关系进行了分析。并且对光刻胶的三个特性参数对于曝光过程中面形的影响进行了模拟分析,并且在小曝光量的情况下,对这种模型进行了简化。最后采用移动掩模法完成微透镜阵列的制备。第四,从系统研究角度出发,充分利用传感器像元,匹配主透镜、微透镜阵列和传感器三者之间参数关系,对微透镜阵列参数进行设计,搭建实验系统。结合实验数据,直观的对光场数据进行可视化、重聚焦、深度提取等操作。实验结果证实了该方法的可行性,实现从理论分析到检测系统的系统研究,为之后的应用打下夯实基础。第五,针对本文涉及的检测系统的核心元件-微透镜阵列的应用进行探索。本文提出基于微透镜阵列的干涉成像方法,并对成像模型进行深入研究,并建立仿真数字模型,对该成像方法进行成像仿真分析。为干涉成像领域注入新鲜血液。针对微纳结构光场检测技术,本文进行了深入的理论研究,对测量光路、数据处理方法、微透镜阵列的设计和加工等相关问题提出了具体的方案和解决方法,为光场显微检测领域提供了可靠的参考。

太赫兹近场扫描显微成像技术

太赫兹近场扫描显微成像技术 太赫兹(Terahertz, THz)辐射通常是指频率范围处于0.110THz的电磁辐射，其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。近年来，太赫兹技术得到了迅猛发展和广泛应用，成为前沿交叉学科领域之一。太赫兹波由于光子能量很低、具有非破坏性和非等离特性，使得太赫兹在材料检测和无损探测方面有着广泛应用。更为值得提出的是太赫兹成像, 特别是在生物医学方面的成像，引起了人们的广泛关注。就目前而已，主流的成像技术包括逐点成像、实时成像、近场成像、差分成像、偏振成像等。 ?图1、太赫兹脉冲扫描近场成像系统 ?由于太赫兹辐射属于远红外辐射，其波长处于亚毫米量级，因此太赫兹光波的衍射效应限制了太赫兹成像的分辨率。在一般的太赫兹逐点成像系统和实时成像系统中，成像分辨率在毫米量级，这在一定程度上制约了太赫兹成像技术的应用。为了解决这一问题，科研人员提出了一种太赫兹近场成像系统，将太赫兹逐点成像的分辨率提高到了亚波长量级，此工作将太赫兹成像技术的性能提高到了一个新的层次。 ?图1展示了此实验的系统光路，太赫兹脉冲分别由光导天线产生和光电导采样探测。太赫兹脉冲在入射样品之前，首先被耦合进一个金属探针中，从探针端部出射后再经过样品。此方法属于基于孔径的扫描近场光学显微技术，太赫兹光波在样品上的光斑大小只受制于探针端口的尺寸。在此实验中，探针端口的尺寸为50µm乘以80µm，因此所获得的最高成像分辨率可达到55µm。从此，太赫兹近场成像技术引起了科研人员的广泛关注，目前已经成为了太赫兹成像中一个重要的研究方向。 ?通常所说的太赫兹近场成像是指太赫兹扫描近场光学显微技术（THz-

太赫兹简介及特点和应用

太赫兹简介及特点和应用 嘉兆科技 THz波（太赫兹波）或成为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um （0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。 随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。THz研究领域的开拓者之一，美国著名学者张希成博士称：“Next ray，T-Ray ！” 目前国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究，其中首都师范大学，是入手较早，投入较大的一家，并且在毒品和炸药太赫兹光谱、成像和识别方面，利用太赫兹对非极性航天材料内部缺陷进行无损检测方面做出了许多开拓性的工作，同时由于太赫兹射线在安全检查方面的独特优势，首都师范大学太赫兹实验室正集中力量研发能够用于实景测试的安检原型设备。 目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。

磁共振波谱成像的基本原理

磁共振波谱成像的基本原理、序列设计与临床应用 磁共振波谱(MR Spectroscopy，MRS)是医学影像学近年来发展的新的检查手段，作为一种无创伤性研究活体器官组织代谢、生化变化及化合物定量分析的方法，随着MRI、MRS装置不断改进，软件开发及临床研究的不断深入，人们通过MRS对各种疾病的生化代谢的认识将不断提高，为临床的诊断、鉴别、分期、治疗和预后提供更多有重要价值的信息。1H MRS可对神经元的丢失、神经胶质增生进行定量分析，31P磁共振波谱可对心肌梗塞能量代谢变化进行评价。MRS以分子水平了解人体生理上的变化，从而对疾病的早期诊断、预后及鉴别诊断、疗效追踪等方面，做出更明确的结论。本文从MRS波谱成像的基本原理和序列设计方面简要作一介绍。 一磁共振波谱的基本原理 在理想均匀的磁场中，同一种质子(如1H)理论上应具有相同的共振频率。事实上，当频率测量精度非常高时会发现，即使同一种核处在相同磁场中，它们的共振频率也不完全相同，而是在一个有限的频率范围内。这是由于原子核外的电子对原子核有磁屏蔽作用，它使作用于原子核的磁场强度小于外加磁场的强度，其屏蔽作用大小用屏蔽系数s来表示，被这种屏蔽作用削弱掉的磁场为sB，与外加磁场方向相反。外加磁场越强sB越大，原子核实际感受到的磁场强度与外加磁场强度之差越大。此外，s还与核的特性和化学环境有关。核的化学环境指核所在的分子结构，同一种核处在不同的分子中，甚至在同一分子的不同位置或不同的原子基团中，它周围的电子数和电子的分布将有所不同。因而，受到电子的磁屏蔽作用的程度不同，如图1所示。考虑到电子的磁屏蔽作用，决定共振频率的拉莫方程应表示为:w=gBeff=gB0(1-s) 由上式可知，在相同外加磁场作用下，样品中有不同化学环境的同一种核，由于它们受磁屏蔽的程度(s的大小)不同，它们将具有不同的共振频率。如在MRS中，水、NAA(N-乙酰天门冬氨酸)、Cr(肌酸)、Cho(胆碱)、脂肪的共振峰位置不同，这种现象就称为化学位移(Chemical Shift)。即因质子所处的化学环境不同，也就是核外电子云密度不同和所受屏蔽作用的不同，而引起相同质子在磁共振波谱中吸收信号位置的不同，如图2所示。实际上，研究某种样品物质的磁共振频谱时，常选用一种物质做参考基准，以它的共振频率作为频谱图横坐标的原点。并且，将不同种原子基团中的核的共振频率相对于坐标原点的频率之差作为该基团的化学位移。显然，这种用频率之差表示的化学位移的大小与磁场强度高低有关。在正常组织中，代谢物在物质中以特定的浓度存在，当组织发生病变时，代谢物浓度会发生改变。磁共振成像主要是对水和脂肪中的氢质子共振峰进行测量和脂肪中的氢质子共振峰进行测量，在1.5T场强下水和脂肪共振频率相差220Hz (化学位移)，但是在这两个峰之间还有多种浓度较低代谢物所形成的共振峰，如NAA、Cr、Cho等，这些代谢物的浓度与水和脂肪相比非常低。MRS 需要通过匀场抑制水和脂肪的共振峰，才能使这些微弱的共振峰群得以显示。 下面是研究MRS谱线时常用到的参数: (1)共振峰的共振频率的中心—峰的位置V: 化学位移决定磁共振波谱中共振峰的位置。 (2)共振峰的分裂。 (3)共振峰下的面积和共振峰的高度: 在磁共振波谱中，吸收峰占有的面积与产生信号的质子数目成正比。在研究波谱时，共振峰下的面积比峰的高度更有价值，因为它不受磁场均匀度的影响，对噪音相对不敏感。 (4)半高宽: 半高宽是指吸收峰高度一半时吸收峰的宽度，它代表了波谱的分辨率。 原子核自旋磁矩之间的相互作用称为自旋自旋耦合。高分辨率磁共振频谱可以观察到自旋自旋耦合引起的共振谱线的裂分，裂分的数目和幅度是相互耦合的核的自旋和核的数目的指征。在一个氢核和一个氢核发生自旋耦合的情况下，由于一个氢核的磁矩有顺磁场和逆磁场两种可能的取向，因此它对受耦合作用的氢核可能产生两个不同的附加磁场的作用，这引起受耦合的氢核的共振由一个单峰分裂为二重峰。如此类推，在两个氢核和一个氢核发生耦合的情况下，共振谱由一个分裂为三个。 磁共振波谱仪不仅可以描绘频谱，还可以描绘频谱的积分曲线，积分曲线对应共振峰的面积。峰的

太赫兹成像技术的实验研究

第25卷第3期2006年6月 红外与毫米波学报 J.I nfrared M illi m .W aves Vol .25,No .3June,2006 文章编号:1001-9014(2006)03-0217-04 收稿日期:2005211201,修回日期:2006202218 Rece i ved da te:2005211201,rev ised da te:2006202218基金项目:国家自然科学基金资助项目(10390160),北京市科技新星计划资助课题 作者简介:张振伟(19772),男,北京人,首都师范大学物理系2003级硕士研究生,研究方向:脉冲THz 时域光谱成像和CW THz 成像应用研究. 太赫兹成像技术的实验研究 张振伟,　崔伟丽,　张　岩,　张存林 (首都师范大学物理系,北京　100037) 摘要:建立了一套透射式逐点扫描太赫兹(THz )辐射成像装置,它采用<100>2I n A s 晶体作为高功率、宽频谱的 THz 辐射源和高灵敏度、低噪声的电光取样差分探测方法,具有对隐蔽在非透明电介质材料内物体成像的能力.并且,系统能够获得成像物体上每一点的光谱数据,可以对物体进行光谱成像.利用多种基于傅立叶变换的数据处理方法给出了葵花籽样品的透射图像,并对其中的几种进行分析和对比.全面介绍透射式逐点扫描THz 成像的关键技术,包括成像装置、光束测量、数据处理和分析等几个方面,对有效利用THz 成像技术和开展THz 成像领域的相关研究具有指导意义.关　键　词:红外物理;太赫兹;太赫兹成像;数据处理;时域光谱中图分类号:047 文献标识码:A TERAHERTZ TI M E 2DOMA I N SPECTR OSCOP Y I M AGI NG ZHANG Zhen 2W ei,　CU IW ei 2L i,　Z HANG Yang,　Z HANG Cun 2L in (Depart m ent of Physics,Cap ital Nor mal University,Beijing 100037,China ) Abstract:A trans m itted scanning terahertz i m aging syste m,which has the <100>2A s e m itter of high power,wide fre 2quency s pectru m and the detect or of high sensitivity and l ow noise,is p resented .It owns the capacity of detecting s omething that has been shielded by s ome opaque dielectric materials .Moreover,s pectr oscopy data at each point of the sa mp le can be acquired by using this syste m.U sing these data the s pectr oscopy i m ages can be rebuilt .Lots of THz i m ages of sunfl ower seed sa mp le by using vari ous data p r ocessing methods based on the Fourier transfor m s pectr oscopy are given and compared .I n additi on,the several i m portant fact ors of the suste m,including setup,measure t o the bea m,data p r ocessing described in detail,which are very essential t o further research and app licati on . Key words:infrared physics;THz;T Hz i m aging;data p r ocessing;ti m e 2domain s pectr oscopy 引言 太赫兹(THz )辐射是从0.1到10T Hz 电磁辐射(1T Hz 所对应的波长为0.3毫米),位于电磁波谱中微波与红外波段之间.太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一.自从1995年Hu 和Nuss 首次提出逐点扫描式T Hz 时域 光谱成像技术[1] 以来,一系列新的THz 成像技术相 继被提出,如T Hz 实时成像[2,3]、THz 层析成像[4] 等等.逐点扫描系统通常存在数据获取时间较长的问题,可以通过采用CCD 器件作为探测器[2] 实现同时对整个物体的时域波形进行扫描(数据格式:S x ×y ×t ),提高采集速度.更进一步,采用啁啾脉冲探测的 方法,在理论上可以实现单脉冲成像[3] .但是,这两 种方法相对于扫描成像来说信噪比要低的多,成像质量无法与后者相比.THz 成像技术的进一步发展 需求高功率、便携式、可调谐的T Hz 辐射源[5～7] ,宽 频谱、高灵敏度、低噪声的探测器[8] 和快速、高效的数据处理方法,已经有越来越多的研究小组致力于这些方面的探索和尝试.目前,T Hz 成像还是一项新兴的技术,在国内更是刚刚起步,因此对典型的T Hz 逐点扫描成像系统的关键技术进行全面研究,对深入探索和有效利用这一前沿技术具有指导意义. 下面介绍一套具有较高应用价值的透射式THz 逐点扫描成像装置,采用<100>2I nA s 晶体作为高功率、宽频谱的THz 辐射源(同等条件下比选用Ga A s 材料产生的T Hz 射线功率高很多,比传统的大孔径光导天线发射源产生的T Hz 信号的频谱范围