高通量太赫兹成像进展与挑战

导读 太赫兹波介于红外波和毫米波之间,具有许多独特的特性,促进了许多引人注目的成像应用,例如无损检测、安全筛查、生物医学诊断、文化遗产保...

太赫兹波介于红外波和毫米波之间,具有许多独特的特性,促进了许多引人注目的成像应用,例如无损检测、安全筛查、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,许多现有的太赫兹成像系统由于其单像素性质以及光栅扫描获取图像数据的要求,需要数十分钟到数十小时的成像时间。

为了充分发挥太赫兹成像在实际应用中的潜力,太赫兹图像传感器阵列和先进计算成像算法的发展逐渐解决了传统系统漫长的成像过程。

在《光科学与应用》发表的一篇新论文中,由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的MonaJarrahi教授和AydoganOzcan教授领导的科学家团队回顾了两种硬件的高通量太赫兹成像系统的最新发展和计算成像的观点。

他们介绍了各种图像传感器阵列,这些阵列已用于开发高吞吐量频域和时域太赫兹成像系统。在频域类别中,捕获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热计、场效应晶体管的图像传感器阵列、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,捕获成像对象响应脉冲太赫兹照明的超快时间响应,这不仅提供幅度和相位,还提供超快时间和光谱信息。回顾了两种主要类型的无光栅扫描太赫兹时域成像系统:一种基于光学相机的电光采样,另一种基于光电导天线阵列。比较了频域和时域太赫兹成像系统的功能和局限性,并讨论了为实现新的/增强的功能而对现有成像系统进行可能的修改。

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

单像素成像系统检测到的太赫兹光束的空间编码可以通过压缩感知算法等计算方法进行图像重建。衍射处理工程师将太赫兹前端用于特定任务的光束编码,接管通常由数字后端处理的一些计算任务。衍射深度神经网络(D2NN)可以利用光-物质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,例如对象分类、通过扩散器成像和定量相位成像。

作者希望这篇综述能够激发太赫兹成像科学技术的进一步发展,并加速太赫兹成像系统不仅在科学实验室和工业环境中,而且在我们的日常生活中更广泛的应用。