太赫兹成像技术的进展

曹丙花， 李素珍*， 蔡恩泽， 范孟豹， 淦方鑫

1. 中国矿业大学信息与控制工程学院， 江苏 徐州 221116 2. 中国矿业大学机电工程学院， 江苏 徐州 221116

引 言

太赫兹波是指频率在0.1～10太赫兹(Terahertz, THz)范围内， 介于毫米波和红外光之间的一段电磁波。 由于波段位置的特殊性， THz辐射兼具微波电子学和红外光子学的特征， 属于交叉研究范畴。 在THz领域中， THz成像技术作为THz研究中颇具前景的一个方向， 得益于该辐射波段的独特性质： 光子能量低于各种化学键能， 对物质电离作用小； 极易透过非极性和非金属材料， 包括陶瓷、 塑料等常见却无法被红外光透射的材料； 频段处在许多生物大分子振动和转动能级， 可根据THz波的强吸收和谐振特性建立分子指纹特征谱鉴别物质成分； 水敏感性高， 非常适合物质含水量分析等。 除了可获得比其他光源更多的信息外， THz成像技术在性能上也十分优越。 THz波段的高频特性对应更小的光学衍射现象， 能够达到比微波成像更高的空间分辨率。 而相比需要借助耦合剂接触样品的超声成像， THz成像属于非接触无损检测， 适用范围更广。 近些年来随着THz光源和探测技术的发展， THz成像的应用领域越来越广泛， 并在药品食品监测、 生物医学成像、 货品安全检查、 器件非接触无损检测、 艺术品研究等领域取得了不错的成果。

自1995年贝尔实验室开发出首套THz透射扫描成像装置并进行首次THz成像之后， 新材料和新技术不断促进着THz成像技术的快速发展。 目前， 研究人员已经实现了对物品含水量、 违禁刀具、 电路亚波长损伤、 半导体器件以及生物组织等样本的THz像探测。 根据辐射光源的种类， THz成像技术可分成连续波(continuous wave， CW)和脉冲两种类型。 虽然THz-CW系统的光源功率较大， 但因其带宽较窄， 大部分情况下系统仅记录THz信号的强度信息。 基于上述特性， THz-CW系统的数据采集速度较快， 能够支持实时成像。 相比连续波系统， 脉冲THz系统可以发射高达几THz的宽带光束， 虽然其波束普遍功率偏低， 但它携带了时域THz波形的所有信息(包括强度和相位)。 这些信息经傅里叶等变换处理之后可得出折射率、 消光系数、 吸收率等光学参数。 因此， 基于脉冲THz成像系统可获得更多信息的特性， 除部分焦平面阵列探测成像外， 大多数成像系统都属于这种类型。

本文主要讲述了THz成像技术发展道路上经历的几个阶段， 如图1所示， 包括THz时域光谱成像、 焦平面阵列探测成像、 压缩感知成像、 近场成像及其分类下的一些常见成像系统。 每部分着重介绍了系统的特点原理和技术创新， 并在最后对THz成像技术未来的发展趋势进行展望。

图1 文章架构

1 THz成像系统和设备

在过去近二十年的时间里， 电子学与光子学等新技术的发展促进了太赫兹成像技术的快速发展。 太赫兹时域光谱(Terahertz-time domain spectrum， THz-TDS)系统作为最早实现THz辐射测量的系统， 已经成为一种产生和探测单周期THz信号的通用技术。 在此基础上， 人们出于对更快的成像速度以及更高的成像分辨率的追求和权衡， 开发出以下几种经典的THz成像系统， 这里主要按照探测方式的发展进行介绍。

1.1 最早的单像素成像方式： THz-TDS成像系统

THz时域光谱成像系统是在THz-TDS的基础上增加了光栅扫描装置， 实现了光谱和成像功能的结合。 图2展示的是反射式THz时域光谱成像系统[1]。 飞秒脉冲激光器产生的激光被分成两束， 一束通过光电导天线(photoconductive antenna, PCA)产生THz脉冲， 另一路通过增加光程做相位延迟处理。 THz脉冲产生后经抛物面镜(paraboloidal mirror， PM)引导聚焦到样品表面的某一像素点， 然后被反射到探测器上。 延迟的泵浦脉冲同样被引导到探测器， 并对携带样本信息的THz脉冲做采样处理。 系统最终测量的是探测器光电传感模块产生的平均光电流或平均光电压。

图2 经典反射式THz时域光谱成像实验装置[1]

图3展示的光电流是关于时间延迟的函数， 反映了和样品相互作用后THz脉冲的衰减、 延迟或变宽等现象。 可以提取上述THz时域波形的某一信号特征如最大飞行时间、 峰值等， 设定像素对应灰度后获取二维图像。 这种经典THz-TDS方法的优点是获取的THz信息较全(包括幅度和相位信息)， 缺点是需要进行冗长的二维光栅扫描， 无法满足大尺寸样品的实时成像要求。 目前一个实际应用是在制药工业中， 通过监测药片的包衣厚度控制固体制剂的生产质量， 原理如式(1)所示。 也可以用于评估药片的硬度、 密度和孔隙率， 以及汽车外壳涂料的厚度均匀性。

(1)

其中， Δt为药片包衣表面和内部药剂面反射的THz波时间间隔，c是真空中的光速，n是包衣材料的折射率。

图3 单像素测量THz时域波形[2]

经典的THz辐射生成和探测的方法有自由空间电光采样和光电导天线两种， 这里使用的是光电导天线(PCA)方式。 通常， PCA由光电半导体材料表面沉积金属电极制作而成， 常用的半导体材料有高阻率砷化镓(GaAs)、 磷化铟(InP)等。 为了产生THz波， PCA两电极空隙被外加电压偏置并用飞秒激光脉冲泵浦。 在亚皮秒时间尺度上， 半导体内部大量电子-空穴对被加速激发(外加偏置电场和自建电场起加速作用)， 光电导材料表面出现快速增大和减小的时变光电流， THz电磁场由此产生。 目前大多数的THz-TDS系统的平均THz功率较低。 为了改善信噪比， 通常用交流电压偏置PCA后再锁定放大。

最近， 有实验证明使用等离子体等纳米结构接触电极光栅可以有效减少光生载流子的平均传送路径长度， 使大面积PCA具备更高的光—太赫兹转换效率和太赫兹功率(在240 mW的泵浦功率下， 平均THz功率高达3.8 mW)。 另外， THz无源成像系统作为一个理论研究的突破点， 其在物体自发THz辐射和均匀黑体(如天空)THz辐射两个方向上的科学研究也值得关注。

THz辐射的光电导采样是光电导激发的逆过程， 不同的是PCA不再外加偏置电压， 飞秒激光脉冲泵浦出的载流子由入射THz光束加速。 泵浦脉冲和入射THz辐射之间的时间延迟关系可调(可用时间延迟线实现)。 产生的时变电流幅度和THz电场幅度存在正比例关系， 利用该特性可以实现对THz时域辐射信号波形的表征。 目前， 有关单像素探测器原理的研究已经趋向成熟， 其发展主要依托新材料和新结构的引进。 例如， 中国科学院上海技术物理研究所利用石墨烯材料集成天线接触电极与劈裂栅控结构提出了石墨烯本身热电子操控机理， 从而实现室温下太赫兹波段的高灵敏探测。 该器件具有可调灵敏度、 较高的转化效率和光电导增益， 响应率可达0.6～6.0 kV·W-1。

1.2 支持实时成像的方式： THz面阵成像

THz面阵成像是为了解决光栅扫描等单像素探测周期长的缺点， 获取更快的图像探测速度而提出的技术替代方案。 由于焦平面阵列探测器可以实现物体的一次成像， 这类系统又被称为“面阵相机”。 目前较为成熟的有电荷耦合器件(charge-coupled device， CCD)相机、 微测热辐射计(Microbolometer)相机以及互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor， CMOS)相机三种类型。

早期的CCD相机一般不能直接用于THz波段， 它需要将THz图像调制成红外波段的图像后再进行实时探测。 1996年， Zhang课题组最早描述了焦平面阵列探测THz波段的创新尝试。 如图4所示， 该方法利用透镜器件将穿过样本的THz波聚焦到大面积电光晶体上， 并将探测光束扩展到充满整个非线性晶体。 和传统的自由空间电光采样相同， THz光束在晶体中引起瞬态双折射， 影响了探测光束(一般是飞秒脉冲)的偏振态。 由于探测光束在空间上完全覆盖THz波束， 因此可以将THz图像编码到探测脉冲波前的空间变化偏振态上。 然后， 利用泡克尔斯(Pockels)效应将探测脉冲反映的图像信息转换到光频范围， 最后由CCD相机接收， 形成直观形象的THz图像。 其中， CCD相机和THz光没有直接的关系。 并且， 由于一次成像探测时间较短， 成像速率主要受CCD相机的响应速率制约。 类似的例子还有2008年Zaks等通过上转换方式， 利用CCD相机探测近红外辐射， 以此间接获得THz辐射的分布图像； 2013年Trichopoulos等利用天线单片和快速异质结集成作为太赫兹波探测单元后获得了5帧·s-1探测速率； 2011年日本NEC公司将研制出的基于VOx的THz焦平面探测器应用于手持式THz相机， 实现了4 m成像距离下的人体实时被动成像的例子。 特别地， 当CCD相机的探测速率达到视频速率时， 可利用这种成像技术对运动物体或活体进行实时成像， 这是目前THz面阵成像最吸引人的应用方向之一。 随着THz探测等技术的发展， 以Teracam公司为代表的、 采集速度可达到50 Hz的THz相机已经实现工业化生产。

图4 二维实时太赫兹活体昆虫成像[3]

Microbolometer最初作为一种红外探测器件， 主要通过改变像素点阻抗的方式获取该处的光波强度。 Microbolometer接收的是7.5～14 μm波长范围的辐射， 并因其不需要外部冷却的特点应用广泛。 2005年， 在成像含有刀片的信封时(辐射源为2.52 THz的气体激光器)， Microbolometer相机被发现在THz波段仍具有较高的灵敏度， 实验达到的帧率为60帧·s-1， 每帧的信噪比为13 dB。 自此， 研究人员开展了以Microbolometer相机为探测器的THz成像实验。 其中， Oulachgar等为了获得更高的探测灵敏度， 创造性地在Microbolometer的前端放置了超材料吸收器， 并在0.29～2.4 THz的频率范围内对手枪、 包含刀片的皮夹等物品进行成像。 事实上， 虽然Microbolometer等焦平面探测器已经具备较为成熟的研究成果， 但因其制作工艺复杂昂贵， 当下仅有NEC等几家公司具备非制冷焦平面探测器的批量生产能力， 其在THz波段的成像应用也仅停留在实验室演示阶段。 目前Microbolometer主要致力于以VOx与多晶硅为材料且在室温工作的高灵敏探测器的开发。 由于集成电路设计和制作工艺的发展， CMOS相机作为一种图像传感器逐渐发展起来。 2012年， Grzyb等初步制作出一个工作在0.7～1.1 THz范围内的CMOS型THz相机。 该相机为32×32像素， 像素间距80 μm， 可实现的最高探测灵敏度为2.5 μW·pixel-1。 2014年， Yan以单元大小为0.9×0.4 mm2的5×5 CMOS阵列为探测器搭建了THz透射式成像系统， 并在斩波情况下对树叶进行成像， 实验最后获得的图像分辨率为4 mm。 为了省去外部冷却环节， 2016年Escorcia等使用PN结探测器和超材料吸收体制作了室温工作的CMOS型THz相机。 其中， PN结和超材料吸收器均采用180 nm CMOS工艺制作而成， 如图5(a)所示, 探测器的最小等效噪声为10.4 nW·Hz-1/2， 图6中是字母“T”透射和反射式成像结果。

图5 (a)连接一系列单像素的二极管分布及所制造的THz探测器顶端阵列布局； (b)二极管像素的透视图[4]

图6 字母“T”透射式和反射式成像[4]

焦平面阵列探测成像虽然实现了实时成像， 但是它目前仍存在单次成像面积有限、 价格昂贵等问题。 此外， 由于实时面阵成像对功率有极高的要求， 一般无法使用普通的固体激光器当作照明光源。 因此， 早期一般使用二氧化碳等气体激光器充作THz源。 但是， 由于气体激光器不仅体积庞大而且价格高昂， 该项技术一直停留在实验室阶段。 为了实现面阵成像技术的商用， 多年来研究人员一直致力于寻找相关的替代光源。 直到2002年， 量子级联激光器(QCL)的发明为推广技术的研究带来了转机。 美国MIT的Lee等验证了当THz-QCL的连续波输出功率足够高时， 可以使用红外阵列探测器进行成像检测。 实验在距离QCL20多米外对人类拇指指纹和信封内的铅笔字迹进行了实时成像演示， 有力地推动了THz实时成像技术的研究和应用。

1.3 实现亚波长分辨率的方式： 近场成像

为了突破波长相关的衍射极限， 实现亚微米甚至纳米级分辨率， 研究人员提出了近场成像方案。 有关近场成像的设想最早可以追溯到1928年Synge的10 nm透光孔成像实验。 该实验引导入射光透过孔径为10 nm的透光孔， 然后将物体放置在孔后10 nm处。 当设置10 nm扫描步长收集光信号时， 实验获得了极高的空间分辨率。 20世纪80年代以来, 随着近场光学和扫描探针显微技术的发展， 近场成像技术在微波、 红外、 可见光等波段收获了许多成果。 通过借鉴这些波段成熟的原理方法， 研究人员提出了THz波段的近场成像技术， 主要用于实现物体表面和亚表面的无损扫描。

当物体处在THz近场范围内， 也就是物体距离THz辐射一波长或亚波长尺度时， 会产生传播场和隐失场两种电场。 传播场记录能流的传播， 隐失场记录物体的亚波长信息。 因此， THz近场成像获得亚波长分辨率的关键在于对隐失波的捕获。 和振幅与传播距离成反比的传播场不同， 隐失波的振幅随距离的增加呈指数级衰减。 这要求近场成像在未借助转换器件时， 需要在距离成像物体极近的区域即近场内检测隐失场。 目前最受瞩目的THz近场成像技术有基于孔径和基于尖端散射的THz近场成像技术两种。

亚波长孔径是孔径型THz近场成像技术的关键器件， 对隐失波起获取和耦合转化作用。 根据孔径所处位置的不同， 该技术可以分为近场孔径照明、 近场孔径收集两种模式。 近场孔径照明是最早用于THz近场成像的方式。 如图7所示， 实验时物体被放置在亚波长孔径的近场中， THz波受孔径局域后对物体进行近场照射。 该模式的技术难题在于实现THz波的有效增透和有效局域， 通常研究人员用仔细设计亚波长孔径的思路解决上述问题。 例如， 设计能够引导光通过孔径的等离子体结构修饰带孔金属面板， 有效改善穿孔辐射的耦合； 使用固体浸没透镜方法设计亚波长介质探针， 提高光强； 以及双金属耦合探针、 顶端削平的金字塔型探针、 平行平板波导等多种不同物理结构的亚波长孔径器件。 特别地， 结合透镜使用光学泵浦半导体晶片可以控制光生载流子的移动， 产生动态的移动孔径。 动态孔径的厚度受半导体对泵浦光的吸收深度影响， 通常只有几微米。 该方法的优点之一是能够规避因波导效应引起的物理孔径探测带宽减小问题； 局限在于信号大小仍受孔径尺寸的限制， 并且半导体材料引入了较大的噪声干扰。

图7 THz近场成像照明模式[5]和收集模式[6]系统示意图

和近场孔径照明不同， 近场孔径收集模式采取的是将探测器集成到亚波长孔径的近场区域内或者远场探测经近场微孔转化后的太赫兹波的方式。 例如， 参考文献[6]就是典型的近场收集模式， 如图7所示， PCA探测器被放置在矩形孔径的亚波长距离处， 用以探测指数衰减的隐失THz场。 这种布置下的空间分辨率由孔径尺寸确定。 随后人们在研究圆孔衍射时发现透射电场幅度随孔径尺寸的三次方减小， 这意味着深亚波长孔径下的光通量非常小。 为了增强亚波长孔径的透射， 研究人员将同心周期性凹槽刻在孔径周围的金属基底上[7]。 如图8所示， 这种靶心结构促使入射THz辐射激发表面波， 亚波长孔径中的电场幅度因此增加了20倍。 后续的优化使用蝴蝶结孔径[8]代替之前的圆形孔径， 从而使透射率增加3倍、 分辨率达到12 μm(λ/17在1.45 THz)。 最近， 研究人员还实现了将THz光电导天线和近场探针集成到单个芯片的技术。 但该技术存在孔径探头距离PCA太近导致GaAs半导体有源层厚度过小的固有问题。 作为天线的关键使能器件， 有源层厚度过小意味着泵浦光束在PCA的GaAs层内产生很少的电荷载流子， 从而造成THz检测的灵敏度降低。 为此， 作者在半导体层和亚波长孔径之间引入分布式布拉格反射器[9]， 如图9所示。 事实证明， 该反射器不仅增强了天线间隙处的泵浦光束光场， 还为样本和泵浦光束提供了成像光敏材料时必须具备的光学隔离。 为了进一步提高天线的灵敏度， 参考文献[10]在天线的有源层附近增加了金纳米天线阵列。 此外， 还有一种直接使物体和亚波长检测器接触的近场成像方式。 该方式将THz-TDS系统和电光采样EOS探测器结合起来使用， 通过物体和探测器晶体部分直接接触实现对近场区域内THz电场的测量， 该技术又被称为“直接接触EOS技术”。 由于可以支持在可见/红外频率范围内工作的相机， 直接接触EOS技术是未来实现实时近场THz成像的重要可选途径之一。 目前， 近场孔径收集模式面临的技术难题在于进一步解决近场距离控制、 THz波的高效耦合和转化等问题。

图8 靶心结构的圆形亚波长孔径[7]以及优化后的蝴蝶孔径[8]

图9 上部代表在单个芯片中由分布式布拉格反射器隔开的集成亚波长孔径/THz-PCA[9]； 下部分是光子结构的示意性横截面图及其工作原理和使用等离子体纳米阵列增强的集成芯片示意图[10]

第二种THz近场成像系统， THz辐射聚焦在亚波长金属尖端上， 该尖端像孔径一样在极小的区域内强烈地局域THz辐射。 尖端在接近物体时， 能够将近场中和样本相互作用的隐失波耦合转化成传播波后散射在远场中。 由于飞秒激光泵浦半导体材料时产生的电偶极矩与尖端耦合后会对其正下方的局域电场产生调制影响， 对该受调制部分进行锁相检测能够有效滤除半导体表面产生的背景噪声， 因此远场探测时通常要求尖端以固有频率进行机械调制并使用锁相放大器进行THz检测。 和孔径型成像的分辨率由孔径尺寸决定的原理相似， 散射型成像的空间分辨率同样不受瑞利极限的限制， 而是由尖端尺寸决定。

THz尖端散射近场显微镜最突出的两个实例是激光太赫兹发射显微镜(laser Terahertz emission microscope， LTEM)和扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope， STM)。 特别是LTEM不是其他光学频段或电子学技术的改进而是一种THz系列特有的亚波长近场成像方法。 该技术使用飞秒激光脉冲照射样本， 并搭配常规光学器件将光束聚焦到衍射极限。 材料中的电荷载流子被加速后发射THz脉冲， 探测信号可以使用常见光电技术在远场进行。 在对样本实施光栅扫描后， THz波可以生成包含物体THz响应的图像。 LTEM的空间分辨率由飞秒脉冲光点尺寸决定， 和THz波长无关。 特别地， 研究人员最近提出了能够实现纳米级成像的LTEM。 如图10所示， 该测量系统[11]将飞秒激光脉冲耦合到商用原子力显微镜(AFM)金属探针上， 然后从半导体衬底引发THz辐射。 由于AFM探针的部分横向尺寸只有几十纳米， 从而使得成像分辨率(约等于尖端尺寸)也由原来的几十微米提升到纳米量级。 该实验最终对单个金纳米棒进行了THz成像， 实现了20 nm的尖端限制空间分辨率。 随着LTEM技术的不断发展， 其应用也从最初的电路电气故障检测推广到超电流分布的定量评估、 自发极化域成像、 太阳能电池评估、 分子吸附动力学等多个领域中。 扫描隧道显微镜是一种基于量子理论隧道效应的探测仪器， 主要用于实现物质表面结构的探测。 相比于同样可以观察和定位单个原子的原子力显微镜， STM具有更高的分辨率。 通常， STM的工作模式分为恒电流和恒高度两种。 恒电流模式通过一套电子反馈线路控制隧道电流保持恒定， 并使用计算机控制探针扫描样本。 由于探针与样本的局域高度也保持不变， 针尖将随着样本表面的高低起伏作同样的起伏运动， 以此完成对样本表面三维立体信息的采集。 和恒电流模式不同， 恒高度模式是通过测量探针与样品表面的隧道电流大小完成表面形貌探测的， 一般用于观察和定位单个原子， 测量过程中针尖的绝对高度保持不变。 有研究人员[12]在不改变STM设计的前提下将THz-TDS系统与STM系统耦合， 在原有纳米级空间分辨率的基础上实现了亚皮秒的时间分辨率。 系统原理如图11所示， 超快THz脉冲聚焦在STM探针尖端上， 产生亚皮秒瞬变电压， 驱动探针上的电子在物体表面的隧道结处产生隧道电流。 测量电流的空间分辨率由尖端顶点大小决定， 这里为2 nm。 此外， 该实验还分别测量了InAs纳米点样品(生长在GaAs上)的STM和THz-STM图像， 如图12所示， 证明了THz-STM在测量超快载流子动力学方面具有极大的潜力。 最近， 加拿大的Frank A. Hegmann教授研究组在商用超高真空STM的基础上自主研发了THz-STM， 以0.3 nm的空间分辨率实现硅表面单个原子的成像， 再一次验证太赫兹辅助STM将时间分辨光谱和成像带入单个原子或分子水平的独特可能性。 同时， 该技术还直接影响了新型硅纳米电子学和在THz频率工作的原子级器件的研究开发等方面的进展。

图10 纳米级LTEM实验装置和系统原理图[11]

图11 THz-STM系统原理图[12]

图12 STM图像、 THz-STM图像和光学激发前后的示意图[12]

1.4 亚采样率成像方式： 压缩感知成像

压缩感知(compressed sensing， CS)这一概念最早由Candes， Donoho和Tao正式提出。 它的基本思想是通过自然界信号固有的稀疏特性， 用远低于香农采样定律要求的采样点数较为完整地恢复原信号， 从而降低设备采样和数据存储的压力。 经过十多年的推广应用， 压缩感知已经建立了基本完整的理论体系， 并在信号处理、 物体成像方面取得了不错的成绩。 莱斯大学同年研制出的基于可见光波段的单像素相机[13]第一次验证了CS理论应用于实际成像的可能性。 他们设计相机使用电控的数字微镜设备(digital micro-mirror device, DMD)对可见光进行快速调制。 DMD设备包括1 024×768个微镜单元， 由计算机控制实现+12°和-12°两种状态的切换。 如图13所示， 当成像物体投影到DMD上时， 计算机随机生成二值矩阵控制微镜阵列切换角度， 完成可见光的调制经DMD反射后的光辐射由透镜汇聚到光电二极管， 得到的电压值经A/D转换后传递到探测器。 他们对像素为64×64的大写字母“R”进行成像测试， 采样1 600次和2 700次的图像重建结果如图14所示。 虽然DMD设备能够实现20 kHz的高速调制速度， 但是其镜片单元只适应极短的光学波长， 很难完成THz波段的光束调制。 为此， 莱斯大学在2008年提出THz波段的压缩感知成像方案[14]。 他们在透明的PCB板上选择性覆上铜带， 以此制成一组600张掩模板代替DMD设备， 成像过程中机械移动平台快速切换掩模板。 实验对同样印在PCB板上、 像素为32×32的汉字“光”进行成像， 系统结构和图像重建结果如图15所示。 事实上， 基于CS理论的成像方式很适合THz波段的辐射， 尤其是目前THz系列的单像素探测器比焦平面探测器更加常见。 为了解决上述机械平台切换掩模板时速度慢、 影响光路准直等问题， 研究人员提出一种圆盘式掩模装置[15]。 如图16所示， 这种旋转盘装置允许使用电机旋转盘， 因此实验能够自动且连续地进行。 后续的研究在细节上对该圆盘掩模板做了调整。 首先， 掩模板的材质由带基底的PCB板换成了不锈钢板[16]， 有效抑制了掩模板对THz波的不均匀吸收。 其次， 当掩模板的像素尺寸和THz波长接近时， 衍射和散射效应明显而无法忽略不计。 因此， 将透光孔的直径由原先的1 mm调整为2 mm， 形状也由方形改成圆形， 消除了拐角处的THZ散射， 近一步增强成像质量。 如图15所示， 蓝色的矩形窗口是有效成像窗口， 边长为30 mm。 圆盘每旋转0.25°切换一个掩模图案。 整个装置最高可提供1 440幅掩模图案。 2012年， Busch等设计出一种光控型掩模装置， 并分析了全光控太赫兹成像的可能性。 一年后， David等实现了全光调制的THz波CS成像[17]。 该实验将波长为980 nm的激光10倍扩束后覆盖DMD， 如图17所示， 并将DMD调制后的激光图案投影到P型硅片， 使硅片不同的点对应出现不同的透射率。 这里利用的是高阻硅的光敏特性： 当特定波长的光束照射到硅表面时会改变此处的载流子浓度， 该处的辐射透过率也会随之改变。 同时， 另一条光路用THz波照射样本， 并将样本反射的波束引导到硅片。 由于硅片的空间调制作用， 只有部分携带物体信息的THz辐射透过硅片， 并被THz波探测器捕捉。 在包括硅片响应图案切换等时间延迟后， 系统最终的调制速度约为31 Hz。 由于载流子寿命约为25 μs， 则理论上全光调制方案中的切换掩模矩阵速度可达10 kHz。 又因为DMD能够实现20 kHz以上的调制速度， 那么在优化控制系统之后有望实现10 kHz的调制速度。 综上所述， 全光调制的CS成像方案在实时成像方面具有极大的潜力。 同时， 这种计算成像的方式对空间光调制器(spatial light modulator， SLM)的调制深度和速度提出了更高的要求。 2009年， Chan等第一次尝试使用超材料制作SLM器件， 他们提出的4×4的电控的调制阵列在0.36 THz处取得了35%～50%的调制深度。 随后， Watts等在2014年首次将超材料SLM应用到THz压缩感知成像中[18]。 并且， 该实验利用超材料相位调制的特性， 在以往0和1二值掩模矩阵中引入-1数值的调制效果， 如图18所示， 进一步增强了调制深度。 其中图18(b)是在不同调制矩阵下的成像结果， 单次掩模调制的时间为22.4 ms， 重建8×8像素图像需要1.43 s。 目前， 有关SLM的研究集中在超材料和新结构方面。 与此同时， 压缩感知中信号稀疏、 测量矩阵构建以及信号重构三个部分的相关算法也在不断改进中。 最常使用的信号稀疏变换有离散余弦变换(DCT)、 小波变换(WT)和哈达玛变换(Hadamard)三种。 离散余弦变换由于具有将信号能量集中在低频区域的特点被广泛应用于声音和图形的压缩应用； 小波变换可实现高频处的时间细分以及低频处的频率细分， 一般更多用于信号分析领域； 哈达玛变换产生的对称正交矩阵减轻了存储空间和计算量的负担， 对图像的压缩应用效果显著。 与此同时， 测量矩阵通常要求和信号稀疏的基底矩阵满足不相关性。 其中， 高斯矩阵由于和大多数稀疏矩阵都不相关， 因而常被选作测量矩阵。 常用的信号重构算法大致分为三种： 匹配追踪算法、 L1最小化算法和最小全变分法(TVAL3)。 其中， TVAL3算法源自于求解极值的变分正则化模型， 支持多种测量矩阵和约束条件。 变分正则化模型作为函数中一种求解极值的有效方法， 在引入增强型拉格朗日函数和交替变换求解方式后， 使得TVAL3算法的速度和灵活度显著提高。 有研究学者[19]在原先TVAL3算法的模型基础上增加了相位平滑约束条件， 使得重构的相位图像更接近原信号， 并在不同厚度的区域交界处更平滑。

图13 莱斯大学单像素相机组成结构示意图[13]

图14 成像物体大写字母“R”及其在1 600次和2 700次采样下的恢复图像[13]

图15 THz压缩感知成像系统、 成像物体“光”及其在300次和600次采样下的恢复图像[14]

图16 允许电机连续切换的旋转盘掩模装置[15]和改进后的旋转盘结构图像[16]

图17 全光调制的THz波CS成像光路图[17]

图18 基于超材料的THz波压缩感知成像示意图(a)和成像结果对比图(b)[18]

2 总结与展望

本文介绍了THz-TDS成像、 THz面阵成像、 近场成像和压缩感知成像这四种THz波成像类型， 并在每个部分分别介绍了该成像方式对应的原理和发展历程。 实际上， 这四种成像方式各自具备独特的优缺点， 它们相辅相成共同推动着THz成像的发展。 当下由于材料和科技的进步， 涌现出了更多性能优良的太赫兹辐射源和探测器。 相信在未来的发展中， THz成像这一技术会迎来更多突破性成果。