無損評估、生物醫學診斷和安全篩查等諸多令人興奮的太赫茲（THz）成像應用，由于成像系統的光柵掃描要求導致其成像速度非常慢，因此在實際應用中一直受到限制。然而，太赫茲成像系統的最新進展極大地提高了成像通量（imaging throughput），并使實驗室中的太赫茲技術更加接近現實應用。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國加州大學洛杉磯分校（University of California Los Angeles，UCLA）的科研團隊在Light: Science & Applications期刊上發表了以“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算成像兩個角度回顧了太赫茲成像技術的發展。首先，研究人員介紹并比較了使用熱探測、光子探測和場探測的圖像傳感器陣列實現頻域成像與時域成像時的各類硬件。隨后，研究人員討論了利用不同成像硬件和計算成像算法實現高通量捕獲飛行時間（ToF）、光譜、相位和強度圖像數據的方法。最后，研究人員簡要介紹了高通量太赫茲成像系統的未來發展前景和面臨的挑戰。

基于圖像傳感器陣列的太赫茲成像系統（硬件方面）

然而，并非所有類型的圖像傳感器都能夠擴展到大型陣列，但這是高通量成像的關鍵要求。這部分內容重點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。這些太赫茲成像系統的性能主要通過空間帶寬積（SBP）、靈敏度、動態范圍以及成像速度等指標在其工作頻率范圍內進行量化。

太赫茲頻域成像系統

在熱探測太赫茲成像儀中，微測輻射熱計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化為熱敏電阻材料的電導率變化。氧化釩（VOx）和非晶硅（α-Si）是室溫微測輻射熱計最常用的熱敏電阻材料。使用微測輻射熱計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化為能以電子方式感測的熱釋電晶體的極化變化。

圖1 目前最先進的頻域太赫茲圖像傳感器的性能對比

圖2 基于圖像傳感器陣列的太赫茲頻域成像系統示例

對于室溫太赫茲成像，場效應晶體管（FET）圖像傳感器是微測輻射熱計圖像傳感器的主要競爭對手。FET圖像傳感器的主要優勢之一是具有出色的可擴展性。與室溫微測輻射熱計圖像傳感器相比，FET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，由于無需熱探測過程，FET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揮著至關重要的作用。除低溫制冷要求外，太赫茲光子探測器還有另外兩方面的限制：工作頻率限制（高于1.5 THz）以及可擴展性限制（難以實現高像素的探測器陣列）。使用光子探測圖像傳感器陣列捕獲太赫茲圖像的示例如圖2c所示。另外，可以利用量子點或激光激發的原子蒸汽將從成像物體接收到的太赫茲光子轉換為可見光子，并且可以利用光學相機在室溫下實現對大量像素的高通量成像。然而，太赫茲到可見光的光子轉換過程需要復雜且笨重的裝置來實現。

與光子成像儀相比，超導太赫茲成像儀可以提供同等水平甚至更高的靈敏度。同時，它們具有更好的可擴展性，并且能夠在較低的太赫茲頻段工作。超導成像儀主要有四種類型：過渡邊緣傳感器（TES）、動態電感探測器（KID）、動態電感測輻射熱計（KIB）和量子電容探測器（QCD）。使用超導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行非相干成像，并且僅能解析被成像物體的強度響應。相干太赫茲成像可使用外差探測方案來解析成像物體的振幅和相位響應。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探測。超導體-絕緣體-超導體（SIS）、熱電子測輻射熱計（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換。由于外差探測架構的復雜性，所展示的相干太赫茲成像儀靈敏度被限制在數十個像素。

太赫茲時域成像系統

基于時域光譜（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間和光譜信息。THz-TDS成像系統使用光導天線或非線性光學操縱在泵浦探針成像裝置中產生和探測太赫茲波（如圖3）。

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

傳統的THz-TDS成像系統通常是單像素的，并且需要光柵掃描來獲取圖像數據；而為了解決單像素THz-TDS成像系統成像速度慢、體積龐大又復雜的問題，基于電光效應和光導效應的圖像傳感器陣列已被采用。圖4a為使用光學相機的電光采樣技術捕獲太赫茲圖像的示例。基于電光采樣的無光柵掃描THz-TDS成像系統既可用于遠場太赫茲成像，也可用于近場太赫茲成像（如圖4b）。無光柵掃描THz-TDS成像的另一種方法是使用光導圖像傳感器陣列（如圖4c）。基于光導效應和電光效應圖像傳感器的無光柵掃描THz-TDS成像系統能夠同時采集所有像素的數據。然而，時域掃描所需的光學延遲階段的特性對整體成像速度造成了另一個限制。

圖4 基于電光效應和光導效應的圖像傳感器陣列的太赫茲時域成像系統示例

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

圖5 基于圖像傳感器陣列的不同太赫茲成像系統的功能和局限性分析

雖然太赫茲成像系統的功能通常由上述原理決定，但可以通過修改其運行架構，以實現新的和/或增強功能。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

太赫茲計算成像

這部分內容主要介紹了各類計算成像方法，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高通量操作的限制（放寬了對高通量太赫茲成像硬件的要求）。

太赫茲數字全息成像

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信息。太赫茲全息成像系統利用離軸或同軸干涉。與利用THz-TDS成像系統進行相位成像相比，太赫茲數字全息成像無需基于飛秒激光裝置并且更具成本效益。對太赫茲輻射源和圖像傳感器陣列的選擇也更加靈活，可以根據工作頻率進行優化。然而，太赫茲數字全息成像對成像物體有著更多限制，并且在對多層次和/或高損耗對象成像時受到限制。

基于空間場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量并記錄空間調制場景的太赫茲響應，從而重建物體的圖像。與用于頻域和時域成像系統的太赫茲圖像傳感器陣列相比，該成像方案得益于大多數太赫茲單像素傳感器的優越性能（如信噪比、動態范圍、工作帶寬）。圖7總結了太赫茲單像素成像系統的發展。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的發展

基于衍射編碼的太赫茲計算成像

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

近期，一種新型光學信息處理架構正興起，它以級聯的方式結合了多個可優化的衍射層；這些衍射表面一旦優化，就可以利用光與物質相互作用，在輸入和輸出視場之間共同執行復雜的功能，如圖8所示。近年來，衍射深度神經網絡技術（D2NN）在太赫茲成像方面有著非常廣泛的應用，例如圖像分類，抗干擾成像，以及相位成像。

圖8 基于衍射深度神經網絡（D2NN）的太赫茲計算成像系統示意圖

總結與展望

綜上所述，高通量太赫茲成像系統將通過深耕成像硬件和計算成像算法而持續發展，目標是具有更大帶寬、更高靈敏度和更大動態范圍的超高通量成像系統，同時還能為特定應用定制成像功能。太赫茲計算成像技術有望與量子探測、壓縮成像、深度學習等技術相結合，為太赫茲成像提供更多的功能及更廣泛的應用。研究人員堅信太赫茲成像科學與技術將蓬勃發展，未來太赫茲成像系統不僅會大規模應用于科學實驗室和工業環境中，而且還將在日常生活中顯著增長。

這項研究獲得了美國能源部資金（DE-SC0016925）的資助和支持。

審核編輯：劉清