高通量太赫茲成像： 進展與挑戰(zhàn)

基于圖像傳感器陣列的不同太赫茲成像系統(tǒng)的功能和局限性概述。資料來源：Mona Jarrahi

太赫茲波介于紅外波和毫米波之間，具有許多獨特的特性，因此有許多引人注目的成像應(yīng)用，如非破壞性測試、安全檢查、生物醫(yī)學(xué)診斷、文化遺產(chǎn)保護、化學(xué)鑒定、材料表征和大氣/天體物理學(xué)研究。然而，現(xiàn)有的許多太赫茲成像系統(tǒng)由于其單像素特性和獲取圖像數(shù)據(jù)的光柵掃描要求，成像時間從幾十分鐘到幾十個小時不等。

為了充分發(fā)揮太赫茲成像技術(shù)在實際應(yīng)用中的潛力，傳統(tǒng)系統(tǒng)冗長的成像過程正逐步通過開發(fā)太赫茲圖像傳感器陣列和先進的計算成像算法來解決。

在發(fā)表于《光科學(xué)與應(yīng)用》（Light Science & Application）的一篇新論文中，由加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的 Mona Jarrahi 教授和 Aydogan Ozcan 教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)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)的最新發(fā)展。

他們介紹了用于開發(fā)高通量頻域和時域太赫茲成像系統(tǒng)的各種圖像傳感器陣列。在頻域類別中，要捕捉成像對象的單頻或頻率平均響應(yīng)。頻域太赫茲成像系統(tǒng)中使用的各類傳感器陣列包括基于微測輻射計、場效應(yīng)晶體管、光子傳感器和超導(dǎo)傳感器的圖像傳感器陣列。

在時域類別中，可捕捉被成像物體對脈沖太赫茲照明的超快時間響應(yīng)，這不僅提供了振幅和相位，還提供了超快時間和光譜信息。本文綜述了兩種主要的無光柵掃描太赫茲時域成像系統(tǒng)：一種是基于光學(xué)相機的電光采樣系統(tǒng)，另一種是基于光電導(dǎo)天線陣列的系統(tǒng)。對頻域和時域太赫茲成像系統(tǒng)的功能和局限性進行了比較，并討論了對現(xiàn)有成像系統(tǒng)進行改造以實現(xiàn)新功能/增強功能的可能性。

隨著太赫茲成像硬件的快速發(fā)展，計算成像方法提供了更多的功能，緩解了太赫茲圖像傳感器在高通量操作方面的一些限制。作者討論了三種主要的計算成像方法：數(shù)字全息、空間編碼和衍射處理。數(shù)字全息技術(shù)可以利用頻域圖像傳感器實現(xiàn)太赫茲相位成像。

對單像素成像系統(tǒng)檢測到的太赫茲光束進行空間編碼，可通過壓縮傳感算法等計算方法重建圖像。衍射處理可將太赫茲前端工程用于特定任務(wù)的波束編碼，從而接管通常由數(shù)字后端處理的部分計算任務(wù)。衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（D2NN）可以利用光與物質(zhì)的相互作用，在輸入和輸出視場之間共同執(zhí)行復(fù)雜的功能，并實現(xiàn)各種成像任務(wù)，如物體分類、通過擴散器成像和定量相位成像。

作者希望這篇綜述能激勵太赫茲成像科學(xué)和技術(shù)的進一步發(fā)展，并加速太赫茲成像系統(tǒng)不僅在科學(xué)實驗室和工業(yè)環(huán)境中，而且在我們?nèi)粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用。

參考資料

Xurong Li et al, High-throughput terahertz imaging: progress and challenges, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01278-0