基于圖像傳感器陣列的不同太赫茲成像系統(tǒng)的功能和局限性總結

太赫茲波介于紅外波段和毫米波段之間，具有許多獨特的性質，因此在無損檢測、安全篩查、生物醫(yī)學診斷、文化遺產保護、化學鑒定、材料表征和大氣/天體物理學研究等領域有著廣泛的應用前景。然而，由于太赫茲波的單像素特性和光柵掃描獲取圖像數(shù)據(jù)的要求，現(xiàn)有的太赫茲成像系統(tǒng)需要數(shù)十分鐘到數(shù)十小時的成像時間。

為了充分發(fā)揮太赫茲成像在現(xiàn)實世界中的應用潛力，太赫茲圖像傳感器陣列和先進計算成像算法的發(fā)展，正在逐步解決傳統(tǒng)系統(tǒng)冗長的成像過程。

在發(fā)表于《光科學與應用》(Light Science & Application)雜志上的一篇新論文中，由加州大學洛杉磯分校(UCLA)的Mona Jarrahi教授和Aydogan Ozcan教授領導的科學家團隊，從硬件和計算成像的角度回顧了高通量太赫茲成像系統(tǒng)最新發(fā)展。

他們介紹了各種圖像傳感器陣列，這些圖像傳感器陣列已被用于開發(fā)高通量頻域和時域太赫茲成像系統(tǒng)。在頻域類別中，被成像對象的單頻或頻率平均響應被捕獲。頻域太赫茲成像系統(tǒng)中使用的各種類型的傳感器陣列包括基于微波輻射計、場效應晶體管、光子傳感器和超導傳感器的圖像傳感器陣列。

在時域類別中，被成像對象在脈沖太赫茲照明下的超快時間響應被捕獲，這不僅提供了振幅和相位，還提供了超快的時間和光譜信息。綜述了兩種主要的無光柵掃描太赫茲時域成像系統(tǒng)：一種基于光電采樣和光學相機，另一種基于光導天線陣列。比較了頻域和時域太赫茲成像系統(tǒng)的功能和局限性，并討論了現(xiàn)有成像系統(tǒng)的可能修改，以實現(xiàn)新的/增強的功能。

隨著太赫茲成像硬件的快速發(fā)展，計算成像方法提供了額外的功能，緩解了太赫茲圖像傳感器的高通量操作的一些限制。作者討論了三種主要的計算成像方法：數(shù)字全息術、空間編碼和衍射處理。數(shù)字全息術可以用頻域圖像傳感器實現(xiàn)太赫茲相位成像。

由單像素成像系統(tǒng)檢測到的太赫茲光束的空間編碼可以實現(xiàn)圖像重建，例如通過壓縮感知算法等計算方法。衍射處理工程師太赫茲前端用于特定任務的光束編碼，接管了一些通常由數(shù)字后端處理的計算任務。衍射深度神經網(wǎng)絡(D2NNs)可以利用光-物質相互作用在輸入和輸出視場之間共同執(zhí)行復雜的功能，并實現(xiàn)各種成像任務，如物體分類、通過擴散器成像和定量相位成像。

太赫茲時域成像系統(tǒng)：a.光導圖像傳感器陣列 b.使用光學相機進行電光采樣

作者希望本文能激發(fā)太赫茲成像科學和技術的進一步發(fā)展，并加速太赫茲成像系統(tǒng)不僅在科學實驗室和工業(yè)設置，而且在我們的日常生活中的更廣泛應用。

審核編輯 黃宇