高通量太赫茲成像的進展與挑戰

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據的要求，現有的太赫茲成像系統需要數十分鐘到數十小時的成像時間。

為了充分發揮太赫茲成像在現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展，正在逐步解決傳統系統冗長的成像過程。

在發表于《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最新發展。

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高通量頻域和時域太赫茲成像系統。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：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的功能和局限性，并討論了現有成像系統的可能修改，以實現新的/增強的功能。

隨著太赫茲成像硬件的快速發展，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：數字全息術、空間編碼和衍射處理。數字全息術可以用頻域圖像傳感器實現太赫茲相位成像。

由單像素成像系統檢測到的太赫茲光束的空間編碼可以實現圖像重建，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字后端處理的計算任務。衍射深度神經網絡(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行復雜的功能，并實現各種成像任務，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：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太赫茲成像科學和技術的進一步發展，并加速太赫茲成像系統不僅在科學實驗室和工業設置，而且在我們的日常生活中的更廣泛應用。

審核編輯 黃宇