高通量太赫茲成像進(jìn)展與挑戰(zhàn)綜述

無損評(píng)估、生物醫(yī)學(xué)診斷和安全篩查等諸多令人興奮的太赫茲（THz）成像應(yīng)用，由于成像系統(tǒng)的光柵掃描要求導(dǎo)致其成像速度非常慢，因此在實(shí)際應(yīng)用中一直受到限制。然而，太赫茲成像系統(tǒng)的最新進(jìn)展極大地提高了成像通量（imaging throughput），并使實(shí)驗(yàn)室中的太赫茲技術(shù)更加接近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California Los Angeles，UCLA）的科研團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了以“High-throughput terahertz imaging: progress and challenges”為主題的綜述論文。該論文第一作者為Xurong Li，通訊作者為Mona Jarrahi。

該論文主要從硬件和計(jì)算成像兩個(gè)角度回顧了太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展。首先，研究人員介紹并比較了使用熱探測(cè)、光子探測(cè)和場(chǎng)探測(cè)的圖像傳感器陣列實(shí)現(xiàn)頻域成像與時(shí)域成像時(shí)的各類硬件。隨后，研究人員討論了利用不同成像硬件和計(jì)算成像算法實(shí)現(xiàn)高通量捕獲飛行時(shí)間（ToF）、光譜、相位和強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)的方法。最后，研究人員簡(jiǎn)要介紹了高通量太赫茲成像系統(tǒng)的未來發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)。

基于圖像傳感器陣列的太赫茲成像系統(tǒng)（硬件方面）

然而，并非所有類型的圖像傳感器都能夠擴(kuò)展到大型陣列，但這是高通量成像的關(guān)鍵要求。這部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹了基于各類圖像傳感器陣列的高通量太赫茲成像系統(tǒng)。這些太赫茲成像系統(tǒng)的性能主要通過空間帶寬積（SBP）、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍以及成像速度等指標(biāo)在其工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行量化。

太赫茲頻域成像系統(tǒng)

在熱探測(cè)太赫茲成像儀中，微測(cè)輻射熱計(jì)是最廣泛使用的圖像傳感器之一，它將接收到的太赫茲輻射所引起的溫度變化轉(zhuǎn)化為熱敏電阻材料的電導(dǎo)率變化。氧化釩（VOx）和非晶硅（α-Si）是室溫微測(cè)輻射熱計(jì)最常用的熱敏電阻材料。使用微測(cè)輻射熱計(jì)圖像傳感器陣列捕獲太赫茲圖像的示例如圖2a所示。熱釋電探測(cè)器是另一類熱成像傳感器，它將接收到的太赫茲輻射所引起的溫度變化轉(zhuǎn)化為能以電子方式感測(cè)的熱釋電晶體的極化變化。

圖1 目前最先進(jìn)的頻域太赫茲圖像傳感器的性能對(duì)比

圖2 基于圖像傳感器陣列的太赫茲頻域成像系統(tǒng)示例

對(duì)于室溫太赫茲成像，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）圖像傳感器是微測(cè)輻射熱計(jì)圖像傳感器的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。FET圖像傳感器的主要優(yōu)勢(shì)之一是具有出色的可擴(kuò)展性。與室溫微測(cè)輻射熱計(jì)圖像傳感器相比，F(xiàn)ET圖像傳感器通常工作在較低的太赫茲頻率下，其靈敏度也較低。然而，由于無需熱探測(cè)過程，F(xiàn)ET圖像傳感器可以提供更高的成像速度。使用FET圖像傳感器陣列捕獲太赫茲圖像的示例如圖2b所示。

光子探測(cè)器作為可見光成像儀中最主要的圖像傳感器，在太赫茲成像中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。除低溫制冷要求外，太赫茲光子探測(cè)器還有另外兩方面的限制：工作頻率限制（高于1.5 THz）以及可擴(kuò)展性限制（難以實(shí)現(xiàn)高像素的探測(cè)器陣列）。使用光子探測(cè)圖像傳感器陣列捕獲太赫茲圖像的示例如圖2c所示。另外，可以利用量子點(diǎn)或激光激發(fā)的原子蒸汽將從成像物體接收到的太赫茲光子轉(zhuǎn)換為可見光子，并且可以利用光學(xué)相機(jī)在室溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)大量像素的高通量成像。然而，太赫茲到可見光的光子轉(zhuǎn)換過程需要復(fù)雜且笨重的裝置來實(shí)現(xiàn)。

與光子成像儀相比，超導(dǎo)太赫茲成像儀可以提供同等水平甚至更高的靈敏度。同時(shí)，它們具有更好的可擴(kuò)展性，并且能夠在較低的太赫茲頻段工作。超導(dǎo)成像儀主要有四種類型：過渡邊緣傳感器（TES）、動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器（KID）、動(dòng)態(tài)電感測(cè)輻射熱計(jì)（KIB）和量子電容探測(cè)器（QCD）。使用超導(dǎo)圖像傳感器陣列捕獲太赫茲圖像的示例如圖2d所示。

到目前為止，所討論的頻率域太赫茲成像儀均是進(jìn)行非相干成像，并且僅能解析被成像物體的強(qiáng)度響應(yīng)。相干太赫茲成像可使用外差探測(cè)方案來解析成像物體的振幅和相位響應(yīng)。通過將接收到的來自成像物體的輻射與本振（LO）波束混合，并將太赫茲頻率下轉(zhuǎn)換為射頻（RF）中頻（IF），可將高性能射頻電子器件用于相干信號(hào)探測(cè)。超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體（SIS）、熱電子測(cè)輻射熱計(jì)（HEB）、肖特基二極管、FET混頻器和光電混頻器可用于太赫茲到射頻的頻率下轉(zhuǎn)換。由于外差探測(cè)架構(gòu)的復(fù)雜性，所展示的相干太赫茲成像儀靈敏度被限制在數(shù)十個(gè)像素。

太赫茲時(shí)域成像系統(tǒng)

基于時(shí)域光譜（TDS）的太赫茲脈沖成像儀是另一種相干成像儀，它不僅能提供被成像物體的振幅和相位信息，還能提供被成像物體的超快時(shí)間和光譜信息。THz-TDS成像系統(tǒng)使用光導(dǎo)天線或非線性光學(xué)操縱在泵浦探針成像裝置中產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波（如圖3）。

圖3 太赫茲時(shí)域成像系統(tǒng)示意圖：（a）太赫茲光電導(dǎo)天線陣列成像；（b）太赫茲電光取樣成像。

傳統(tǒng)的THz-TDS成像系統(tǒng)通常是單像素的，并且需要光柵掃描來獲取圖像數(shù)據(jù)；而為了解決單像素THz-TDS成像系統(tǒng)成像速度慢、體積龐大又復(fù)雜的問題，基于電光效應(yīng)和光導(dǎo)效應(yīng)的圖像傳感器陣列已被采用。圖4a為使用光學(xué)相機(jī)的電光采樣技術(shù)捕獲太赫茲圖像的示例?；陔姽獠蓸拥臒o光柵掃描THz-TDS成像系統(tǒng)既可用于遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲成像，也可用于近場(chǎng)太赫茲成像（如圖4b）。無光柵掃描THz-TDS成像的另一種方法是使用光導(dǎo)圖像傳感器陣列（如圖4c）?；诠鈱?dǎo)效應(yīng)和電光效應(yīng)圖像傳感器的無光柵掃描THz-TDS成像系統(tǒng)能夠同時(shí)采集所有像素的數(shù)據(jù)。然而，時(shí)域掃描所需的光學(xué)延遲階段的特性對(duì)整體成像速度造成了另一個(gè)限制。

圖4 基于電光效應(yīng)和光導(dǎo)效應(yīng)的圖像傳感器陣列的太赫茲時(shí)域成像系統(tǒng)示例

研究人員對(duì)基于圖像傳感器陣列的不同太赫茲成像系統(tǒng)的功能和局限性進(jìn)行了分析，如圖5所示。頻域成像系統(tǒng)只能解析被成像物體在單一頻率或?qū)掝l率范圍的振幅響應(yīng)，無法獲得超快時(shí)間和多光譜信息；但同時(shí)，它們配置靈活，可以使用不同類型的太赫茲光源，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和被動(dòng)太赫茲成像。時(shí)域成像系統(tǒng)則既可以解析被成像物體的振幅和相位響應(yīng)，也可以解析超快時(shí)間和多光譜信息；然而，它們只能用于主動(dòng)太赫茲成像，并且需要帶有可變光學(xué)延遲線的泵浦探針成像裝置，從而增加了成像硬件的尺寸、成本和復(fù)雜性。

圖5 基于圖像傳感器陣列的不同太赫茲成像系統(tǒng)的功能和局限性分析

雖然太赫茲成像系統(tǒng)的功能通常由上述原理決定，但可以通過修改其運(yùn)行架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)新的和/或增強(qiáng)功能。太赫茲光譜各類成像方案如圖6所示。

圖6 太赫茲光譜各類成像方案

太赫茲計(jì)算成像

這部分內(nèi)容主要介紹了各類計(jì)算成像方法，這些方法不僅提供了更多的成像功能，而且減輕了由太赫茲成像帶來的對(duì)高通量操作的限制（放寬了對(duì)高通量太赫茲成像硬件的要求）。

太赫茲數(shù)字全息成像

全息成像允許從與物體和參考物相互作用的兩光束的干涉圖中提取目標(biāo)信息。太赫茲全息成像系統(tǒng)利用離軸或同軸干涉。與利用THz-TDS成像系統(tǒng)進(jìn)行相位成像相比，太赫茲數(shù)字全息成像無需基于飛秒激光裝置并且更具成本效益。對(duì)太赫茲輻射源和圖像傳感器陣列的選擇也更加靈活，可以根據(jù)工作頻率進(jìn)行優(yōu)化。然而，太赫茲數(shù)字全息成像對(duì)成像物體有著更多限制，并且在對(duì)多層次和/或高損耗對(duì)象成像時(shí)受到限制。

基于空間場(chǎng)景編碼的太赫茲單像素成像

與使用太赫茲圖像傳感器陣列直接捕獲圖像相比，太赫茲單像素傳感器可以通過利用已知空間模式序列來順序測(cè)量并記錄空間調(diào)制場(chǎng)景的太赫茲響應(yīng)，從而重建物體的圖像。與用于頻域和時(shí)域成像系統(tǒng)的太赫茲圖像傳感器陣列相比，該成像方案得益于大多數(shù)太赫茲單像素傳感器的優(yōu)越性能（如信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、工作帶寬）。圖7總結(jié)了太赫茲單像素成像系統(tǒng)的發(fā)展。值得一提的是，壓縮感知算法不僅適用于單像素成像，也可用于提高多像素圖像傳感器陣列的成像通量。

圖7 基于空間波束編碼的太赫茲單像素成像系統(tǒng)的發(fā)展

基于衍射編碼的太赫茲計(jì)算成像

到目前為止，本文介紹的太赫茲成像系統(tǒng)遵循的范式主要依賴于基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理來重建所需圖像。然而，基于數(shù)字處理的重建并非沒有局限性。為了解決的其中一些挑戰(zhàn)，最佳策略可以是為特定任務(wù)的光學(xué)編碼設(shè)計(jì)光學(xué)前端，并使其能夠接管通常由數(shù)字后端處理的一些計(jì)算任務(wù)。

近期，一種新型光學(xué)信息處理架構(gòu)正興起，它以級(jí)聯(lián)的方式結(jié)合了多個(gè)可優(yōu)化的衍射層；這些衍射表面一旦優(yōu)化，就可以利用光與物質(zhì)相互作用，在輸入和輸出視場(chǎng)之間共同執(zhí)行復(fù)雜的功能，如圖8所示。近年來，衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（D2NN）在太赫茲成像方面有著非常廣泛的應(yīng)用，例如圖像分類，抗干擾成像，以及相位成像。

圖8 基于衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（D2NN）的太赫茲計(jì)算成像系統(tǒng)示意圖

總結(jié)與展望

綜上所述，高通量太赫茲成像系統(tǒng)將通過深耕成像硬件和計(jì)算成像算法而持續(xù)發(fā)展，目標(biāo)是具有更大帶寬、更高靈敏度和更大動(dòng)態(tài)范圍的超高通量成像系統(tǒng)，同時(shí)還能為特定應(yīng)用定制成像功能。太赫茲計(jì)算成像技術(shù)有望與量子探測(cè)、壓縮成像、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)相結(jié)合，為太赫茲成像提供更多的功能及更廣泛的應(yīng)用。研究人員堅(jiān)信太赫茲成像科學(xué)與技術(shù)將蓬勃發(fā)展，未來太赫茲成像系統(tǒng)不僅會(huì)大規(guī)模應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)環(huán)境中，而且還將在日常生活中顯著增長(zhǎng)。

這項(xiàng)研究獲得了美國(guó)能源部資金（DE-SC0016925）的資助和支持。

審核編輯：劉清