基于空间型调制器的太赫兹波快速成像技术
发布时间：2021-07-27 21:08
为解决主流太赫兹成像技术在成像速度、分辨力、清晰度以及制造成本等方面存在相互制约的问题,提出一种基于光控型空间调制器的太赫兹波快速成像技术。这一技术利用新型硅基太赫兹调制材料与数字微镜阵列器件（DMD）的集成,实现了基于单像素太赫兹探测器的快速成像,进一步分析了太赫兹波束分布特性和高斯背景对成像效果的影响,并提出了有效的优化方法。实验结果证实这种新型技术能够显著提高成像分辨力和清晰度。
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于太赫兹空间调制器的单像素太赫兹成像系统
保持了较高的激光吸收率(在638nm时的反射率低至16%)，而且由于表面存在微结构，使激光和硅的接触面积增加，从而增加了调制器的有效调控面积，在单位面积内产生更多的光生载流子。在硅表面上，刻蚀出的每一个微结构，其表面积是刻蚀前的1.73倍。总之，在638nm泵浦激光作用下获得高达90%的调制深度，微结构硅基调制器特别适合与DLP相结合构建太赫兹空间调制器。1.3太赫兹成像原理DLP可以精确控制每个微镜的偏转角度，从而可以精确控制被反射投影在硅片上的激光分布图形。被DLP投影在硅片上的光分布图是一种类“黑白”图像，见图3。投影的图像由“黑”和“白”2种基本像素组成：“白”方块代表硅片上有激光照射的区域，表示该区域的光生载流子浓度相对较高，对太赫兹波透射有阻碍效果；“黑”方块表示没有激光照射的区域，几乎不对太赫兹波的透射有影响。因此每一次投影的图案(可以称作mask)，只有在有光区域的太赫兹波被调制了。太赫兹波穿透过空间型太赫兹调制器后，其强度就有了空间分布。在被划分的每个小区域内，太赫兹波透射后的强度不仅与透射前的强度有关，而且与该区域有无光照有关。因此如果假设每次只把一个小方块区域的光投影到调制器上，且逐次更改投影区域，通过对比有、无光照时的信号变化幅度，得出该光照区域的太赫兹信号强度，进而可以重构出太赫兹波的强度分布，即可以对太赫兹波进行成像。假设太赫兹波和投影激光被划分成一个M×N的矩阵，并设太赫兹原始的信号分布为S。空间型太赫兹调制器相对于太赫兹的透射率分布为T，被空间光调制器调制后的信号变为MS。Dk为在第k次投影时探测器接收的太赫兹信号强度，(i,j)为每次投影时不同区域的空间坐标，有：i,ji,ji,jSTMS，,[0,1]ijT(1),11NNkijijDMS
多次(小于传统所必需的投影次数)mask的投影，每个像素的信息都会包含在压缩采集的数据之中。不仅如此，如果采用特殊的mask编码方式(如随机矩阵和Hadamard矩阵)，还会一定程度上降低每次采集时的系统误差，提高采集信号的信噪比。再将数据导入电脑进行解码并重构出图像，解码的过程不是编码的简单逆过程，而是以信号稀疏分解中已有的重构算法为依据，在概率意义上实现信号的精确重构或一定误差范围内的近似重构。基于硅微米结构太赫兹调制器具有动态调制深度和调制，本文仿真分析了压缩感知方法提高成像速度的可行性，其结果见图5。图5(a)为目标图片，其尺寸为11×11，总共121个像素点，按照传统的扫描方法，需要121次采集才能重构该图片。图5(c)~图5(d)都是利用压缩感知重构的图片，采用稀疏贝叶斯(SparseBayesianLearning，SBL)信号重构算法。采集次数分别为44次、52次和54次。从图5(d)可以看出，在压缩度为45%时，可以完全重构出目标图案。通过仿真发现，采用压缩感知技术，可以有效减少采集次数，提高成像速度。4结论本文研究了单像素太赫兹成像系统的成像原理，并进行了成像系统的搭建。完成了成像实验，并分别对实验室自制的微结构硅基调制器的光控太赫兹调制器和利用普通高阻硅作调制器的成像结果进行了对比分析。结果表明，表面微米结构很大程度上提升了硅对激光的吸收和利用率，提升了成像效果，更重要的是，在短波长激光波段内有着较好的调制效果。因此采用微结构硅基调制器，DLP的使用性能达到最大。实验中采用的高斯背景消除方法也对提升成像效果起到了显著作用。本实验采用逐点扫描的成像方式，验证了单像素太赫兹相机的可行性，但还存在着成像时间成本高的缺陷。为此，可以采用压缩感知技术，减少投影mask数量和成像的时
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅基金字塔结构光控太赫兹调制器[J]. 金浓,朱韵樵,申朝阳,杨青慧,张怀武,文岐业. 太赫兹科学与电子信息学报. 2019(02)
本文编号：3306543
【文章来源】：太赫兹科学与电子信息学报. 2020,18(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于太赫兹空间调制器的单像素太赫兹成像系统
保持了较高的激光吸收率(在638nm时的反射率低至16%)，而且由于表面存在微结构，使激光和硅的接触面积增加，从而增加了调制器的有效调控面积，在单位面积内产生更多的光生载流子。在硅表面上，刻蚀出的每一个微结构，其表面积是刻蚀前的1.73倍。总之，在638nm泵浦激光作用下获得高达90%的调制深度，微结构硅基调制器特别适合与DLP相结合构建太赫兹空间调制器。1.3太赫兹成像原理DLP可以精确控制每个微镜的偏转角度，从而可以精确控制被反射投影在硅片上的激光分布图形。被DLP投影在硅片上的光分布图是一种类“黑白”图像，见图3。投影的图像由“黑”和“白”2种基本像素组成：“白”方块代表硅片上有激光照射的区域，表示该区域的光生载流子浓度相对较高，对太赫兹波透射有阻碍效果；“黑”方块表示没有激光照射的区域，几乎不对太赫兹波的透射有影响。因此每一次投影的图案(可以称作mask)，只有在有光区域的太赫兹波被调制了。太赫兹波穿透过空间型太赫兹调制器后，其强度就有了空间分布。在被划分的每个小区域内，太赫兹波透射后的强度不仅与透射前的强度有关，而且与该区域有无光照有关。因此如果假设每次只把一个小方块区域的光投影到调制器上，且逐次更改投影区域，通过对比有、无光照时的信号变化幅度，得出该光照区域的太赫兹信号强度，进而可以重构出太赫兹波的强度分布，即可以对太赫兹波进行成像。假设太赫兹波和投影激光被划分成一个M×N的矩阵，并设太赫兹原始的信号分布为S。空间型太赫兹调制器相对于太赫兹的透射率分布为T，被空间光调制器调制后的信号变为MS。Dk为在第k次投影时探测器接收的太赫兹信号强度，(i,j)为每次投影时不同区域的空间坐标，有：i,ji,ji,jSTMS，,[0,1]ijT(1),11NNkijijDMS
多次(小于传统所必需的投影次数)mask的投影，每个像素的信息都会包含在压缩采集的数据之中。不仅如此，如果采用特殊的mask编码方式(如随机矩阵和Hadamard矩阵)，还会一定程度上降低每次采集时的系统误差，提高采集信号的信噪比。再将数据导入电脑进行解码并重构出图像，解码的过程不是编码的简单逆过程，而是以信号稀疏分解中已有的重构算法为依据，在概率意义上实现信号的精确重构或一定误差范围内的近似重构。基于硅微米结构太赫兹调制器具有动态调制深度和调制，本文仿真分析了压缩感知方法提高成像速度的可行性，其结果见图5。图5(a)为目标图片，其尺寸为11×11，总共121个像素点，按照传统的扫描方法，需要121次采集才能重构该图片。图5(c)~图5(d)都是利用压缩感知重构的图片，采用稀疏贝叶斯(SparseBayesianLearning，SBL)信号重构算法。采集次数分别为44次、52次和54次。从图5(d)可以看出，在压缩度为45%时，可以完全重构出目标图案。通过仿真发现，采用压缩感知技术，可以有效减少采集次数，提高成像速度。4结论本文研究了单像素太赫兹成像系统的成像原理，并进行了成像系统的搭建。完成了成像实验，并分别对实验室自制的微结构硅基调制器的光控太赫兹调制器和利用普通高阻硅作调制器的成像结果进行了对比分析。结果表明，表面微米结构很大程度上提升了硅对激光的吸收和利用率，提升了成像效果，更重要的是，在短波长激光波段内有着较好的调制效果。因此采用微结构硅基调制器，DLP的使用性能达到最大。实验中采用的高斯背景消除方法也对提升成像效果起到了显著作用。本实验采用逐点扫描的成像方式，验证了单像素太赫兹相机的可行性，但还存在着成像时间成本高的缺陷。为此，可以采用压缩感知技术，减少投影mask数量和成像的时
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅基金字塔结构光控太赫兹调制器[J]. 金浓,朱韵樵,申朝阳,杨青慧,张怀武,文岐业. 太赫兹科学与电子信息学报. 2019(02)
本文编号：3306543
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