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研究生: 王新發
Hsin Far Wang
論文名稱: 兆赫波檢測系統研究
A Study of Terahertz Detection System
指導教授: 周明
Jou, Min
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工業教育學系
Department of Industrial Education
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 84
中文關鍵詞: 大孔徑光電導天線碲化鋅電腦斷層
英文關鍵詞: Large Aperture Photoconduction Antenna, ZnTe, Computed Tomography
論文種類: 學術論文
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摘要
兆赫波(Terahertz THZ or T-ray)是頻率介於0.1至10兆赫的電磁波,相對於微波及光頻段的應用來說,是相當新且充滿潛力的領域,由於現在科技的發展朝向更高速發展,因此探討材料在兆赫波頻段的響應及光電特性成為重要的課題,且兆赫波的光子能量低屬非游離輻射,所以可以應用在醫學、生物的檢測方面,如電腦斷層、腫瘤檢測方面。
本研究的目的在探討兆赫波檢測系統的原理、組成及在電腦斷層方面的應用並增加系統網路遠端控制功能,在兆赫波的產生是使用大孔徑光電導天線的方式,檢測兆赫波則是利用碲化鋅(ZnTe)電光晶體的電光效應,系統控制部分則是透過GPIB 由LabVIEW撰寫的軟體控制。研究中對於醫學影像的檢測應用方面,則是對樣品桌球、S型塑膠、燒杯中放入塑膠棒等樣品,做兆赫波電腦斷層(Computed Tomography)影像的分析,利用樣品在各角度下兆赫波穿透樣品時振幅及相位差異為參數,經計算及濾波處理後得到樣品投影影像,再經過Matlab軟體工具作影像資料的反雷登轉換(Inverse Radon Transform)以得到兆赫波在樣品中各平面斷層的吸收情形資料、接著影像處理及重建樣品3D影像,另外修改系統軟體,增加網路遠端控制的功能,由此研究的探討希望對於兆赫波領域的認識與應用能有基礎的了解並對於進一步的研究發展奠定基礎。

Abstract
Terahertz is a kind of electro-magnetic wave, the frequency of which is between 0.1 and 10 Terahertz. Compared with the application of microwave and the frequency range of light, this is a rather new and potential field. As modern technology are trending toward pursuing higher speed, the exploration of material frequency response in THz frequency range and the features of photo-electricity have become important issues. In addition, photo energy belongs to the category of non-liberated radiation, so it can be applied to material and biological tests, such as computed tomography and tumor
detection.
The purpose of the study is to explore the theory and formation of THZ detecting system and its application in computed tomography as well as to add the function of remote control to the system. The Large Aperture Photoconduction Antenna method is used in the production of THZ, which electro-optic crystal(ZnTe) is used in detecting THZ. As for the system control, it is controlled by the software programmed by LabVIEW via GPIB. In the application of detecting the medical images in the study samples of a ping-pong ball, S-shaped polyethylene, a vial with a polyethylene rod inside are analyzed by THZ computed tomography image. Make use of the magnitude and phase difference of THZ which penetrates the sample from different angles as parameter, obtain the projection of the samples through calculation and the filter process, and then acquire the data of how THZ is absorbed in every layer of the samples by processing image data through Inverse Radon Transform of the Matlab software. Next, deal with the images and reconstructed the 3D images of the samples. Apart from that, modify the system software and add the network remote-controlled function to it. Hopefully, through this study, we can have a basic understanding of realm of THZ and its application, and consequently lay the foundation of the further studies.

總目錄 頁次 中文摘要 ………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要 ………………………………………………………………Ⅱ 總目錄 …………………………………………………………………Ⅳ 圖目錄 …………………………………………………………………Ⅵ 表目錄 …………………………………………………………………Ⅹ 第一章 緒論……………………………………………………………1 1.1 研究背景與動機…………………………………………………1 1.2 研究目的…………………………………………………………3 1.3 研究範圍與限制…………………………………………………4 1.4 研究方法…………………………………………………………5 1.5 研究步驟…………………………………………………………6 第二章 文獻探討………………………………………………………8 2.1 兆赫波產生原理與方法…………………………………………8 2.2 兆赫波檢測原理與方法 ………………………………………16 2.3 雷登轉換(Radon Transform)與 反雷登轉換(Inverse Radon Transform) ……………………23 2.4 影像處理方法…………………………………………………26 2.5 GPIB與儀器原理………………………………………………28 2.6非游離輻射與游離輻射………………………………………32 第三章 兆赫波檢測系統實驗架構 …………………………………33 3.1 兆赫波檢測系統架構 …………………………………………33 3.2 兆赫波產生方法 ………………………………………………35 3.3 兆赫波檢測方法 ………………………………………………38 3.4 系統儀器與控制 ………………………………………………41 3.5 系統軟體 ………………………………………………………43 3.6 兆赫波電腦斷層影像檢測 ……………………………………50 第四章 實驗結果與討論 ……………………………………………53 4.1 兆赫波電腦斷層影像實驗結果 ………………………………53 4.2 兆赫波檢測系統遠端控制 ……………………………………75 第五章 結論 …………………………………………………………81 參考文獻 ………………………………………………………………83 圖目錄 頁次 圖1-1 研究步驟流程圖……………………………………………… 7 圖2-1 兆赫波脈衝…………………………………………………… 9 圖2-2 飛秒雷射與兆赫波方向圖……………………………………10 圖2-3 兆赫波強度與電極寬度關係圖………………………………11 圖2-4 飛秒雷射光強度與兆赫波強度關係圖………………………12 圖2-5 外加磁場………………………………………………………13 圖2-6 外加磁場與兆赫波電場強度…………………………………14 圖2-7 焦電檢測器……………………………………………………17 圖2-8 光電導天線檢測器……………………………………………17 圖2-9 電光晶體檢測圖………………………………………………21 圖2-10 雷登轉換………………………………………………………23 圖2-11 反雷登轉換……………………………………………………25 圖3-1 兆赫波檢測系統架構圖………………………………………33 圖3-2 系統儀器連接圖………………………………………………34 圖3-3 大孔徑光電導天線……………………………………………35 圖3-4 分光器(BS)…………………………………………………36 圖3-5 沃拉斯頓(Wollaston)稜鏡…………………………………39 圖3-6 光電二極體……………………………………………………39 圖3-7 信號量測流程圖………………………………………………42 圖3-8 系統軟體介面…………………………………………………43 圖3-9 LabVIEW ………………………………………………………46 圖3-10 電腦斷層實驗圖………………………………………………51 圖3-11 影像處理流程圖………………………………………………52 圖4-1 桌球樣品圖……………………………………………………53 圖4-2 桌球像素兆赫波波形圖………………………………………54 圖4-3 桌球角度10-60度影像檔 ……………………………………55 圖4-4 桌球角度70-120度影像檔……………………………………56 圖4-5 桌球角度130-180度影像檔 …………………………………57 圖4-6 桌球第5,10,15,20層反雷登轉換後影像 ……………………58 圖4-7 桌球第25,30,35,40,45,50層反雷登轉換後影像 ……………59 圖4-8 桌球第5,10,15,20層影像處理後影像 ………………………60 圖4-9 桌球第25,30,35,40,45,50層影像處理後影像 ………………61 圖4-10 桌球間隔10層電腦斷層立體圖 ……………………………62 圖4-11 桌球間隔5層電腦斷層立體圖………………………………62 圖4-12 桌球電腦斷層立體重建圖……………………………………63 圖4-13 桌球電腦斷層立體截面圖……………………………………63 圖4-14 S型的聚乙烯塑膠樣品 ……………………………………64 圖4-15 S型的聚乙烯塑膠像素兆赫波波形圖 ……………………65 圖4-16 S型的聚乙烯塑膠角度5-20度影像檔(振幅) ……………65 圖4-17 S型的聚乙烯塑膠角度5-30度影像檔(相位) ……………66 圖4-18 S型的聚乙烯塑膠第1,2層反雷登轉換後影像……………67 圖4-19 S型的聚乙烯塑膠第1,2層影像處理後影像………………68 圖4-20 S型的聚乙烯塑膠電腦斷層立體圖(振幅)…………………69 圖4-21 S型的聚乙烯塑膠電腦斷層立體圖(相位)…………………69 圖4-22 燒杯放入塑膠棒樣品…………………………………………74 圖4-23 燒杯放入塑膠棒角度5-30度影像檔…………………………71 圖4-24 燒杯放入塑膠棒第1,4,7,11層反雷登轉換後影像 …………72 圖4-25 燒杯放入塑膠棒第1,4,7,11層影像處理後影像 ……………73 圖4-26 燒杯放入塑膠棒電腦斷層圖…………………………………74 圖4-27 燒杯放入塑膠棒電腦斷層立體重建圖………………………74 圖4-28 DataSocket伺服器和管理工具 ……………………………75 圖4-29 DataSocket API………………………………………………76 圖4-30 網路遠端控制架構……………………………………………77 圖4-31 程式片段圖……………………………………………………78 圖4-32 伺服器程式畫面………………………………………………79 圖4-33 網路遠端控制程式畫面………………………………………80 表目錄 頁次 表2-1 兆赫波產生材質表……………………………………………13 表2-2 電光晶體………………………………………………………19

參考文獻
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