太赫茲成像技術透視分層結構助力文物研究

文章來源：虹科光電Hophotonix

對于時間分辨成像方法來說，分層結構的無創檢測具有挑戰性，其中分辨率和對比度可能會因層間反射和色散的突出信號衰減而受到影響。在一份關于科學進展的新報告中，科學家團隊介紹了一種基于太赫茲時域光譜的方法，通過精細分辨率和寬帶頻譜來衰減極限，從分層結構中提取隱藏的結構和內容信息。為了實現這一目標，他們研究了反射太赫茲脈沖的局部對稱特性，以確定每一層的位置，并增強了圖像對比度以證明其卓越的性能。這項工作能夠以超低信噪比準確重建結構和高對比度成像，以檢查文物、涂層和復合材料的內部結構。

太赫茲時域光譜 (THz-TDS)

太赫茲波段可用于成像，因為它具有非電離性質，并且非極性電介質具有高度的透明度。

太赫茲時域光譜（TDS）是一種具有3D成像的無損光譜測試方法，使用太赫茲電磁輻射的短脈沖可以無損檢查樣品的性質。與適用于檢測文物、藥物和復合結構等分層結構的X射線斷層掃描和超聲技術相比，該方法提供了精細的分辨率和寬帶光譜特征。

典型的反射式太赫茲時域光譜儀的結構

然而，TDS技術難以廣泛推廣應用，因為輸出的太赫茲波為亞毫瓦量級，功率太弱，無法穿透深層材料進行信息提取。這也伴隨著信噪比的下降，存在許多小脈沖，這使得成像難以檢測太赫茲脈沖的位置和幅度。而在最新研究中，科學家們提出了一種由于超低信噪比而從分層結構中提取隱藏信息的新方法。該方法提供了一種創新的檢測方法，具有高圖像對比度和深刻的穿透深度來檢測分層結構。

測量設置和處理框架

研究團隊用一對光電導天線在反射幾何形狀中進行了實驗，以測量由字母組成的30層紙。發射的太赫茲脈沖通過透鏡集中在樣品中，而反射的太赫茲信號由一系列來自各種界面的脈沖組成，以捕獲和反射太赫茲信號并提供飛行時間和反射率信息?？茖W家們進行了信號分析和物理解釋，以注意由于儀器的共聚焦設置，水蒸氣吸收和紙堆中的透射吸收而導致的信號衰減，并建立了了信號分析和反射模型。

實驗中所采用的信號分析和反射模型

層結構重建

為了使用THZ-TDS技術檢查分層樣品，該團隊使用脈沖位置來重建層結構并了解進行橫向成像的適當時間范圍。雖然脈沖位置的適當提取部分決定了圖像質量，但復雜的太赫茲信號經歷了數十層結構的反射。

科學家們比較了不同脈沖提取技術之間的結果。在脈沖序列的峰值發現之后，他們成功地從點云中提取了層界面，以重建分層樣品的結構。之后，他們通過從相應的脈沖中提取振幅信息，獲得了各層內的橫向太赫茲圖像。

該團隊使用一種稱為脈沖鄰域平均成像方法的平均振幅太赫茲成像方法，從具有數十層的結構中獲得高對比度太赫茲圖像，具有出色的一致性和成像質量。該團隊通過在22層紙疊的第3層到第19層寫入9個單詞來探索該方法的能力，并進行太赫茲成像，以清楚地識別所有單詞。

太赫茲成像結果的評估

文物檢測應用

研究團隊利用該技術檢查了文物，例如具有分層結構的壁畫或帆布畫，以檢測內部缺陷和藝術品的隱藏油漆層，并收集結構的隱藏信息。該團隊完成了這項工作，并研究了西安秦始皇陵8000名兵馬俑的結構和老化條件的潛力，以保護和修復這些人物。該方法成功地考察了結構、內部缺陷和隱藏內容，獲得了具有豐富文化遺產價值的隱藏信息。

通過這種方式，崔及其同事利用太赫茲脈沖和脈沖鄰域平均成像獲得高對比度、具有噪聲消除功能的太赫茲圖像。所提出的太赫茲成像技術可以提取隱藏的結構和內容信息，從具有高分辨率和對比度的亞波長層狀紙到檢測古代文獻的水平，而不會造成損壞。因此，該方法提供了良好的成像質量和實用的解決方案。

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虹科太赫茲成像方案

虹科提供基于太赫茲技術的成像方案，包括連續波太赫茲成像技術以及太赫茲時域光譜技術，能夠實現二維繪畫中油漆層的多層分析，發現表面以下的繪畫痕跡，助力文物研究。

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太赫茲方案

審核編輯 黃宇