高通量太赫兹成像： 进展与挑战

基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性概述。资料来源：Mona Jarrahi

太赫兹波介于红外波和毫米波之间，具有许多独特的特性，因此有许多引人注目的成像应用，如非破坏性测试、安全检查、生物医学诊断、文化遗产保护、化学鉴定、材料表征和大气/天体物理学研究。然而，现有的许多太赫兹成像系统由于其单像素特性和获取图像数据的光栅扫描要求，成像时间从几十分钟到几十个小时不等。

为了充分发挥太赫兹成像技术在实际应用中的潜力，传统系统冗长的成像过程正逐步通过开发太赫兹图像传感器阵列和先进的计算成像算法来解决。

在发表于《光科学与应用》（Light Science & Application）的一篇新论文中，由加州大学洛杉矶分校（UCLA）的 Mona Jarrahi 教授和 Aydogan Ozcan 教授领导的科学家团队从硬件和计算成像的角度回顾了高通量太赫兹成像系统的最新发展。

他们介绍了用于开发高通量频域和时域太赫兹成像系统的各种图像传感器阵列。在频域类别中，要捕捉成像对象的单频或频率平均响应。频域太赫兹成像系统中使用的各类传感器阵列包括基于微测辐射计、场效应晶体管、光子传感器和超导传感器的图像传感器阵列。

在时域类别中，可捕捉被成像物体对脉冲太赫兹照明的超快时间响应，这不仅提供了振幅和相位，还提供了超快时间和光谱信息。本文综述了两种主要的无光栅扫描太赫兹时域成像系统：一种是基于光学相机的电光采样系统，另一种是基于光电导天线阵列的系统。对频域和时域太赫兹成像系统的功能和局限性进行了比较，并讨论了对现有成像系统进行改造以实现新功能/增强功能的可能性。

随着太赫兹成像硬件的快速发展，计算成像方法提供了更多的功能，缓解了太赫兹图像传感器在高通量操作方面的一些限制。作者讨论了三种主要的计算成像方法：数字全息、空间编码和衍射处理。数字全息技术可以利用频域图像传感器实现太赫兹相位成像。

对单像素成像系统检测到的太赫兹光束进行空间编码，可通过压缩传感算法等计算方法重建图像。衍射处理可将太赫兹前端工程用于特定任务的波束编码，从而接管通常由数字后端处理的部分计算任务。衍射深度神经网络（D2NN）可以利用光与物质的相互作用，在输入和输出视场之间共同执行复杂的功能，并实现各种成像任务，如物体分类、通过扩散器成像和定量相位成像。

作者希望这篇综述能激励太赫兹成像科学和技术的进一步发展，并加速太赫兹成像系统不仅在科学实验室和工业环境中，而且在我们日常生活中的广泛应用。

参考资料

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