高通量太赫茲成像的進(jìn)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)的功能和局限性總結(jié)

太赫茲波介于紅外波段和毫米波段之間，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，因此在無(wú)損檢測(cè)、安全篩查、生物醫(yī)學(xué)診斷、文化遺產(chǎn)保護(hù)、化學(xué)鑒定、材料表征和大氣/天體物理學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(shí)的成像時(shí)間。

為了充分發(fā)揮太赫茲成像在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用潛力，太赫茲圖像傳感器陣列和先進(jìn)計(jì)算成像算法的發(fā)展，正在逐步解決傳統(tǒng)系統(tǒng)冗長(zhǎng)的成像過(guò)程。

在發(fā)表于《光科學(xué)與應(yīng)用》(Light Science & Application)雜志上的一篇新論文中，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(tuán)隊(duì)，從硬件和計(jì)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(kāi)發(fā)高通量頻域和時(shí)域太赫茲成像系統(tǒng)。在頻域類(lèi)別中，被成像對(duì)象的單頻或頻率平均響應(yīng)被捕獲。頻域太赫茲成像系統(tǒng)中使用的各種類(lèi)型的傳感器陣列包括基于微波輻射計(jì)、場(chǎng)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(shí)域類(lèi)別中，被成像對(duì)象在脈沖太赫茲照明下的超快時(shí)間響應(yīng)被捕獲，這不僅提供了振幅和相位，還提供了超快的時(shí)間和光譜信息。綜述了兩種主要的無(wú)光柵掃描太赫茲時(shí)域成像系統(tǒng)：一種基于光電采樣和光學(xué)相機(jī)，另一種基于光導(dǎo)天線(xiàn)陣列。比較了頻域和時(shí)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(shí)現(xiàn)新的/增強(qiáng)的功能。

隨著太赫茲成像硬件的快速發(fā)展，計(jì)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(jì)算成像方法：數(shù)字全息術(shù)、空間編碼和衍射處理。數(shù)字全息術(shù)可以用頻域圖像傳感器實(shí)現(xiàn)太赫茲相位成像。

由單像素成像系統(tǒng)檢測(cè)到的太赫茲光束的空間編碼可以實(shí)現(xiàn)圖像重建，例如通過(guò)壓縮感知算法等計(jì)算方法。衍射處理工程師太赫茲前端用于特定任務(wù)的光束編碼，接管了一些通常由數(shù)字后端處理的計(jì)算任務(wù)。衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(D2NNs)可以利用光-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，并實(shí)現(xiàn)各種成像任務(wù)，如物體分類(lèi)、通過(guò)擴(kuò)散器成像和定量相位成像。

太赫茲時(shí)域成像系統(tǒng)：a.光導(dǎo)圖像傳感器陣列 b.使用光學(xué)相機(jī)進(jìn)行電光采樣

作者希望本文能激發(fā)太赫茲成像科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，并加速太赫茲成像系統(tǒng)不僅在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)設(shè)置，而且在我們的日常生活中的更廣泛應(yīng)用。

審核編輯 黃宇