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在电磁波谱中,太赫兹(THz)波介于毫米波与红外光之间,频率范围从0.1THz到10 THz,对应波长为3mm到30μm,光子能量为0.4meV到40meV。THz波用于成像具有以下特点:(1)成像分辨率适中,高于微波、毫米波成像,并可以穿透许多红外射线无法透过的材料;(2)由于THz频段包含了众多有机分子和材料的共振吸收峰,利用THz指纹谱可进行物质鉴别;(3)THz波能量远低于X射线等高能粒子射线,不会对生物组织产生辐射伤害,在生物医学成像领域具有很好的应用前景。基于以上特点,THz成像已经成为太赫兹技术中一个十分重要的研究领域。本论文围绕THz量子级联激光器(QCL)和量子阱探测器(QWP)的多种成像技术及系统展开,主要研究结果和创新点如下: 1.实现了基于THz QWP(Quantum well photodetector, QWP)的热辐射成像。首先标定了对太赫兹QWP的特性参数,其峰值响应率和噪声等效功率NEP(noiseequivalent power)分别为0.5A/W和1.35×10-13W,频率响应范围为3.0THz~7.0THz;然后,以THz QWP为探测器成功构建了THz热成像实验系统,被测试样品放置于信封和聚乙烯包装内,采用扫描成像模式,成功还原了被测样品的图像,图像分辨率为0.83mm-1。在开放的实验环境下,THz QWP依然能够响应微弱的THz透射信号,也证明了其在THz成像领域的巨大应用潜力。 2.采用THz量子级联激光器(QCL)为光源将图像分辨率提高至2mm-1,接近成像系统的衍射极限。THz QCL发射频率为3.9 THz,相比于黑体辐射,THz QCL频谱窄具备更高的发射功率(约10mW),有效的提高了成像信噪比和信号动态范围。实验实现了对人民币水印等细微结构的扫描成像,经分析,图像的最小分辨距离为0.5 mm,与系统的分辨极限(0.344 mm)相当。 3.采用THz QCL为源,THz QWP为探测器,构建了太赫兹层析成像(CT)系统,实现了断层图像还原并完成了样品的三维图像重建。成像系统采用一组长焦距(f=516mm)共焦透镜组来模拟平行光束扫描模式,图像重建采用滤波反投影算法。重建图像对样品的外部结构与内部结构(缺陷)均实现了准确还原,结构还原准确度高于95%。另一方面,选用迭代重建算法,缩短了数据采集时间,并有效的抑制了FBP算法的射束硬化效应和图像噪声干扰。最后,综合各个断层的图像,实现样品的三维图像重建。 4.基于微热辐射计红外焦平面阵列探测器(Microbolometer Infrared Focal-plane array,IRFPA),以THz QCL为辐射源,成功实现了太赫兹实时成像,成像速度为8.5帧/秒。成像系统采用反射和透射两种模式,实现了THz图像的实时显示。经分析,图像的分辨率约为0.67mm-1;然后,根据图像的特点,采用直方图技术和减影成像进行图像优化,抑制了图像背景的噪声并提高了图像的对比度,增强了THz图像的显示效果。