太赫兹快速成像技术研究进展

苟杨九州，彭晓昱

(1.中国科学院 重庆绿色智能技术研究院，太赫兹技术研究中心，重庆 400714；2.中国科学院大学 重庆学院，重庆 400714)

0 引 言

太赫兹(terahertz, THz)波的频率范围是0.1～10 THz，介于红外与微波波段之间。太赫兹波处于电子学和光子学的交叉研究区域，其长波段是传统电子学的研究领域，其短波段则是光子学的研究范围。虽然太赫兹波的交叉学科特性增加了其研究难度，但跟其他电磁波相比，太赫兹波因具有一些独特的物理性质而在诸多领域具有不可替代的优势。近年来得益于太赫兹辐射源的发展，太赫兹技术在保密通信[1]、国防安全[2]、生物医学[3]等许多领域展现了广泛的应用前景。

太赫兹波不同于毫米波或者X射线，它具有独特的成像能力和应用场景。太赫兹波不能穿透金属，但对于许多非金属和非极性物质具有良好的穿透性。因此可以利用太赫兹波“透视”衣服、鞋子、箱包等物体，以便于探测其中潜在的金属刀具或枪支等危险物品。对于不同的非金属材料，由于其对太赫兹波的吸收率不同，可以将不同材料区分出来。因此，与X射线成像相比，对非金属材料的太赫兹成像有更高的对比度。相比于毫米波，THz波的波长更短，这使得太赫兹成像能够获得更高的空间分辨率。尤其重要的是，X射线成像会产生电离损伤，太赫兹波因光子能量低，不会对操作人员或生物样品造成电离伤害[4-7]，特别适合用于对人体或生物样品进行成像。此外，各种化学药品、毒品、炸药等在太赫兹波段都有自己的特征吸收谱(类似于指纹)，这种光谱分辨特性使得太赫兹波不仅能够辨别物体形状，而且可以识别目标物体的化学组分。这一特性非常适合用于反恐安全领域，如在公共安检中识别炸药、毒品、违禁药品等，这是毫米波和X射线所不具备的能力。

由于太赫兹波的独特性能，太赫兹成像技术已经在许多领域得到应用，展示了广泛的应用前景。本文先介绍早期的机械扫描式太赫兹成像技术，再详细介绍为了加快成像速度所提出的各种方案。

1 机械点扫描太赫兹成像技术

由于太赫兹时域信号脉宽在皮秒级，普通的探测器很难获取太赫兹信号，因此需要使用等效时间采样。由于缺乏足够强度的紧凑型太赫兹辐射源，早期的太赫兹成像系统大多数还是属于机械点扫描太赫兹成像技术，主要可以分为2种：①只记录太赫兹强度信息的扫描成像技术；②同时记录太赫兹强度信息和时域光谱信息的扫描成像技术。

1.1 只记录太赫兹强度信息的扫描成像技术

图1是基于连续波太赫兹辐射源的扫描成像系统示意图。连续太赫兹波经透镜聚焦在焦点处，样品放置在焦平面内，通过机械位移平台实现样品的二维逐点移动扫描，透射出样品的太赫兹波再由透镜聚焦到探测器上，通过计算机处理样品的太赫兹波强度信号得到扫描图像。这种成像技术不仅可以使用连续波太赫兹辐射源，也可以使用脉冲式太赫兹辐射源。在使用脉冲式太赫兹辐射源如光电导天线时，如果不需要获得样品光谱信息，可以采取固定延迟线的成像方式，这种模式下，时间延迟线固定在太赫兹脉冲的峰值，探测器仅记录太赫兹辐射的强度变化。

图1 连续波太赫兹扫描成像系统示意图Fig.1 Schematic diagram of terahertz continuous wave scanning system

1.2 同时记录太赫兹强度信息和时域光谱信息的扫描成像技术

同时记录强度和光谱信息的成像技术被称作太赫兹时域光谱成像技术，该成像系统包括飞秒激光器、太赫兹辐射源、太赫兹探测器、时间延迟线以及样品和机械位移平台5部分，可分为透射式成像系统和反射式成像系统。图2为透射式成像系统示意图，采用光电导天线作为太赫兹辐射源，飞秒激光器产生的飞秒激光被分束器分成泵浦光和探测光，泵浦光通过透镜聚焦到光电导天线的电极间隙，在光电导天线的光吸收区产生的光生载流子(电子空穴对)被偏置电场加速产生太赫兹脉冲。太赫兹脉冲经抛物面镜准直、聚焦到样品上，探测光经过多次反射后与太赫兹辐射共线通过碲化锌(ZnTe)晶体并经过1/4波片(QWP)和渥拉斯顿透镜(wollaston lens,WL)分成两路偏振方向相互垂直的线偏振光。当太赫兹辐射不存在时，这两路偏振光强度相同，测量该两路信号之差所得的信号为零；当太赫兹辐射存在时，由于普克尔效应，碲化锌晶体的性质发生改变，使探测光的偏振态发生改变，分出的两路偏振光不再相等，因此信号之差不为零。太赫兹波电场强度正比于该信号之差，通过改变时间延迟线就可以重构完整的太赫兹时域波形。

图2 透射式太赫兹时域光谱成像系统Fig.2 Transmission terahertz time domain spectral imaging system

反射式系统和透射式系统相似，成像装置如图3，除了光路做了一些改变，成像原理与图2的透射式逐点扫描成像原理相同。

图3 反射式太赫兹时域光谱成像系统Fig.3 Reflection terahertz time domain spectral imaging system

连续波太赫兹成像系统结构简单紧凑，只探测THz波的强度，在成像时需要探测大量采样点的光强信息，根据尼奎斯特准则，如果THz焦点的直径为艾里斑的直径，采样间隔至少比艾里斑小5倍左右。假设艾里斑直径为0.5 mm，采样间隔不能超过100 μm，一个10 mm×10 mm的样品大约需要104个采样点。2012年Zhou等[8]利用量子级联激光器作为太赫兹源对汤匙进行成像，图像大小为1 125像素，成像时间为30 min。

太赫兹脉冲时域光谱成像除了能探测强度信息还能探测到光谱、深度、物体散射性质等信息，通过调节探测光和太赫兹辐射的时间延迟来重构完整的太赫兹波形，因此在成像时，除了需要逐点扫描样品，还需要改变光学延迟线探测更多的采样点，采样点的数量取决于THz频率带宽和所需的光谱分辨率。当光谱分辨率约为50 GHz时，时域所需采样点数约为128个，结合空域和时域太赫兹脉冲时域光谱成像大约需要106个采样点数[9]。1995年，Hu等[10]第一次利用太赫兹时域光谱成像技术对4.5 cm×2.3 cm的树叶成像，图像大小为3×104像素，采集速度为每秒12像素，成像时间约为42 min。

无论哪种机械点扫描太赫兹成像技术，由于需要很多的采样点数，扫描过程十分漫长，要获得样品一幅完整的太赫兹图像通常需要耗时几十分钟至几个小时不等，导致太赫兹成像技术的应用受到很大限制。另一方面，缩短太赫兹脉冲的探测时间以减少噪声会导致太赫兹波形失真[11]。此外，在安检中需要在短时间内检测出潜在的危险源。因此如何提升成像速度成为太赫兹成像技术从实验室走向实际应用的主要问题之一。针对这一问题，许多研究小组提出了不同的解决方案：北京理工大学使用随电压转动的反射镜将THz聚焦成线状扫描提升了扫描速度[12]，但是他们使用的探测器仍为点探测器，速度提升有限。天津大学单纪鑫利用CO2激光器对刀片进行点扫描反射成像[13]，由于实验装置中分光片使能量损失严重，成像质量较差，在随后的实验中，单纪鑫使用SIFIR-50激光器进行面阵成像，但成像质量仍较差。深圳大学同样使用该激光器和热释电探测器对信封下的螺母等物品成像[14]，结果显示，能够清晰地分辨出螺母轮廓，但螺母的比例失调。首都师范大学使用CCD(charge coupled device)相机对手枪进行实时成像[15]，成像面积较大但是成像质量较差，只能分辨出手枪轮廓。随后首都师范大学的张存林课题组利用单像素成像技术对规则和不规则物体进行成像[16]，由于系统准直和掩模板之间的错位使得成像效果不是很理想。中科院长春光学精密机械与物理研究所同时也使用单像素成像技术对中国汉字以20%-30%的采样率进行成像[17]，能够清晰地分辨出汉字。下面将介绍这些技术方案并比较其优缺点。

2 太赫兹快速成像技术

2.1 快速扫描的太赫兹成像技术

2.1.1 快速点扫描技术

传统的位移平台利用电机带动传动带、涡轮蜗杆、齿轮等机械传动结构实现样品平台运动和调节时间延迟线。这种机械传动存在阻力大、传动效率低、传动精度差等缺点。为克服这些缺点，人们使用音圈电机来取代上述的平移台。音圈电机是利用通电导体在磁体中受力运动的安培原理制成。这种电机中没有传统电机的螺母等传动结构，能够实现高速往复运动，具有体积小、速度高、加速度大、响应速度快等特性。刘文权等[18]将音圈电机应用到太赫兹时域光谱系统中，装置示意图如图4。图4中，飞秒激光器产生的脉冲激光被分为泵浦光和探测光，泵浦光被棱镜反射进入慢速延迟线后被反射到光电导天线产生太赫兹辐射，探测光通过反射镜进入快速延迟线，再经过另一个反射镜反射后由太赫兹探测器接收。该系统采用快速和慢速2种扫描模式，采用慢速扫描模式是为了解决音圈电机行程短而导致找不到信号的问题，快速延迟线使用音圈电机驱动，在成像过程中，音圈电机处于高速运动中。在该成像方式中最大的扫描频率达到了70 Hz，信噪比在低频率扫描时约为120 dB，但在高频率扫描中，由于信号进入了锁相放大器的抑制频段，导致信噪比较低。

图4 快速扫描太赫兹时域光谱系统示意图Fig.4 Schematic diagram of fast scanning terahertz time domain spectroscopy system

2.1.2 转镜扫描技术

在早期的机械逐点扫描太赫兹成像系统中，不论是移动样品，还是利用光学延迟线对太赫兹脉冲进行时域扫描和测量，都是使用线性往复运动的位移平台实现，这样的扫描方式扫描速度有限，通常不超过1 Hz，其次线性往复运动不能连续移动。为了克服这个缺点，文献[19]使用旋转平台并通过多个反射镜放大平台的位移，即所谓转镜扫描技术，能够以更高的速度实现连续位移，以更快的速度成像。旋转位移平台系统如图5，该系统有多片反射镜，通过旋转反射镜调节太赫兹脉冲的扫描速度。太赫兹脉冲经过旋转反射镜、次反射镜、主反射镜的3次位移将微小位移放大，实现更高的扫描速度。

但是转镜扫描技术也有其缺点。图5中使用的多级曲面反射镜本质上是用几何光学原理设计的，在设计时假设太赫兹光束无限细，而实际上平行入射的太赫兹光束经过曲面反射镜反射后不再平行，这种因反射镜而产生的像差会导致成像质量降低。同时，还需要注意的是，无论如何提高位移平台的速度，太赫兹探测器采集每一个像素需要一定的时间，这与提升信号信噪比的锁相放大器的时间常数有关。所以即使移动平台的速度无限大，仍然需要花费大量时间扫描每一个像素点。

图5 多级反射的旋转位移平台Fig.5 Rotating microposition stages with multi-stage reflection

2.1.3 线扫描技术

线扫描技术是一种将太赫兹辐射聚焦成一条直线然后逐线扫描的成像方式，该成像技术通过离轴凹面反射镜将太赫兹辐射聚焦成一条焦线，成像时太赫兹辐射源和探测器在运动方向上保持同步，位移平台只需要在一维方向运动调整样品位置就可以重建样品的图像，其成像装置如图6。由于不需要进行二维扫描，而且线扫描响应速度较快，大大减少了成像时间。

图6 线扫描成像装置示意图Fig.6 Schematic diagram of line scanning imaging device

王彪等[20]采用线扫描技术，使用频率为0.3 THz连续波太赫兹辐射和线阵探测器实现了聚乙烯内部缺陷的检测和对信封内部的剪刀和小刀的成像，仅耗时1 min就完成了100 mm×100 mm区域的成像且分辨率达到了1.5 mm。但是该成像技术在聚焦过程中会出现焦线不均匀的情况，由于衍射效应的影响，聚焦的太赫兹线会在焦线两侧出现衍射条纹影响成像质量，在探测过程中可以使样品尽量贴近探测器以减少衍射的影响。王彪等利用该技术对隐藏在信封下的剪刀进行成像，如图7，虽然信封遮挡造成了明显的衍射和干涉条纹，但仍能够清晰地分辨出剪刀。文献[21]将线扫描应用到了脉冲时域光谱成像中，实现了高速太赫兹彩色成像。该系统能够以100 Hz的频率对太赫兹波形进行高速测量，在10 s内获取750×1 000像素的图像。

图7 信封下剪刀的太赫兹成像图Fig.7 Terahertz image of scissors under envelope

2.1.4 面扫描技术

线扫描相比于点扫描技术，成像速度得到很大提高，如果想再进一步提升成像速度，还可以进一步采用面扫描技术，其成像装置如图8，这需要功率更高的太赫兹辐射源。文献[22]首先将面扫描技术应用到太赫兹波成像中，他们使用CO2激光器产生2.52 THz的太赫兹辐射，经过抛物面镜扩束后形成直径4.5 cm的光斑并对刀片进行成像。该方法的扫描频率达到了60 Hz，空间分辨率达到了1.5 mm。虽然实现了高速成像，但是刀片的结构模糊不清，成像质量不高。在随后的实验中，文献[23]使用量子级联激光器产生太赫兹辐射对信封中的铅笔进行成像。因使用了功率更高的太赫兹源，光斑尺寸达到了9 cm2，探测速率也提高到了20帧/s，信噪比约为340 dB。但是，量子级联激光器需要在33 K的低温下工作，在实际应用中不仅需要考虑到冷却装置还需要减小环境温度的影响。而且，光斑大导致能量分布不均匀，重建图像的边缘模糊；噪声大，在成像时需要选择合适的成像区域并对获得的图像进行处理以减小图像边缘噪声。李斌等[24]将面阵式探测器应用到太赫兹层析成像中，他们使用远红外连续激光器作为太赫兹源，通过2个镀金的抛物面镜将泵浦的太赫兹辐射进行扩束准直到10 mm，由于衍射的影响，在对吸管内部重建图像时中央出现了黑斑，他们利用角谱算法将探测器采集到的数据进行坐标系变换投影到物体背部并用FBP(filtered back projection)算法重建样品图像，减弱了衍射的影响。

图8 面扫描成像装置示意图Fig.8 Schematic diagram of surface scanning imaging device

2.1.5 异步光学采样技术

以上讨论的各种太赫兹扫描成像技术不论怎样改进，始终没有脱离机械扫描的模式，扫描速度难以进一步提高。因此，人们把目光投向一种不使用机械位移平台调节延迟线的技术，即异步光学采样技术[25]。这种技术使用了2台有固定重复率差值的飞秒激光器，假设某时刻2台激光器发出的激光脉冲重合，由于2台激光器重复率不同，下一时刻，太赫兹脉冲和探测光会出现时间延迟，以后每个脉冲都会增加时间延迟，直到2束激光再次重合为止。光学延迟线就是由这2束激光的时间延迟获得的。图9是该技术的装置示意图，该装置由3部分组成：2台飞秒激光器和频率同步控制器。它们组成异步锁相激光系统、太赫兹泵浦和探测系统、信息采集处理系统。采集单个脉冲的时间由飞秒激光器的重复率差值决定。

图9 异步光学采样装置示意图Fig.9 Schematic diagram of asynchronous optical sampling device

段国腾等[25]设计了全光纤耦合的异步光学扫描太赫兹时域光谱系统，使用2台激光器，其中，第1台主激光器输出的飞秒激光由光纤耦合到光电导天线上泵浦出太赫兹辐射，另1台激光器输出的激光作为探测光。主激光器通过锁相环控制重复率，第2台激光器通过数值频率合成器和另一个锁相环控制重复率并与主激光器保持固定的差值。另外，使用外部时钟使系统能够保持稳定的重复率，提升系统稳定性。两激光器之间的频率差值为500 Hz，探测一个完整的太赫兹脉冲时间为2 ms，理论采样时间间隔为50 fs，频谱分辨率为0.1 GHz，但是由于激光器的严重定时抖动，频谱带宽仅为0.7 THz，实际的采样间隔大于50 fs，低于理论采样率。

2.2 单像素太赫兹成像技术

以上讨论的成像方式都是基于香农采样定理成像的，需要扫描每一个像素点，后来发展出一种新型成像方式叫做单像素成像，该方式由罗彻斯特大学的Bennink提出[26]。它可以使用压缩感知技术，能突破传统香农采样理论，可以用少于目标像素数量的信号重建目标[27]，这种探测方式只需要一个探测器，不需要使用机械位移平台，与传统光栅扫描方法相比，显著减少了测量时间，成为太赫兹成像研究的热点。

压缩感知成像是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术，这种技术方案使用与样品空间特性不相干的基，每次测量都会得到有关每个像素的信息，只需要通过lbN次测量就能获得N像素的图像[28]。

将成像的样品看作是一个矩阵I，I由N个像素在i位置处的强度I(i)组成；观测矩阵P是空间光调制器的二值化表示，由M个具有0或1的二值表示组成，1表示太赫兹脉冲能透射，0表示太赫兹脉冲不能透射；探测器在第i个像素点探测到的光强度组成矩阵S，它们之间的关系为

S=PI

(1)

如果要成像的物体是已知的，P就可以定义成特定的基，例如哈达玛基、傅里叶基或者噪声基[29-30]。然而，在实际成像中往往不知道所要成像的物体，因此需要一种替代方法。

假设矩阵I在某个基R下具有稀疏表示[31]：

I=RT

(2)

(2)式中：T是K稀疏下的集合，表示矩阵T可以被K列元素完全表示；选择的R基被认为是符合预期目标的基。在实际选择中，采样基P应该与R基不相关[32]，而正常情况下，图像的解无法确定，但是由于信号I是K稀疏的，如果观测矩阵P满足有限等距性，使用的采样图案数量M≥O(Klog(N/K))时就能获得近似的重建图像为

T*=arg min||T||1PRT=S

(3)

于是重建图像I*就可以通过(4)式获得。

I*=RT*

(4)

(4) 式假设的是理想成像，没有考虑在实际成像中会受到噪声δ的影响。存在噪声时，(4)式可以改写为

T*=arg min‖T‖1‖S-PRT‖≤δ

(5)

单像素成像的核心思想是使用一系列调制的光场照射样品，因此选择合适的空间光调制器调制太赫兹辐射是实现单像素成像的一个重要因素，其性能影响采样率、图像分辨率、采样速度和重建效果[33]。根据调制的方式可分为2种方案：①直接调制太赫兹光束。②调制的泵浦光束或探测光束。

2.2.1 直接调制太赫兹辐射

单像素成像中，物体反射的太赫兹波束被空间光调制器调制空间分布，有不少团队通过一个独立的调制盘或随机二值旋转盘等方式进行单像素成像以10%-30%的采样率实现目标重建。Liu等[34]通过使用旋转掩码盘作为空间光调制器，实现了太赫兹波的压缩成像，成像装置如图10。图10中，飞秒激光器产生的激光被分光器分成探测光和泵浦光，泵浦光通过光电导天线产生太赫兹辐射，经过离轴抛物面镜反射准直后依次通过旋转掩膜盘和样品后和探测光汇合。太赫兹辐射的峰值位置通过调节光学延迟线找到，成像时将延迟线的位置固定在太赫兹辐射的峰值位置，探测器接收到的信号是旋转掩膜盘旋转角度的函数。

图10 单像素成像装置示意图[34]Fig.10 Schematic diagram of single pixel imaging device[34]

旋转掩膜盘被安装在高速电机(600转/min)上，样品安装在另一个旋转较慢的电机(4转/min)上，在成像测量过程中，提供了大约10帧/s的成像速度。旋转掩膜盘下方使用了一对激光二极管和光电二极管使旋转盘的位置与采集过程同步。当旋转盘旋转时，每旋转一个角度就会形成一个新的二值掩膜图案，并对太赫兹波束进行空间调制。采样过程就是通过这种旋转-停止-测量的过程进行的，在Liu的实验中，每旋转1°进行一次测量，每次测量用时1 s，进行360次测量，以15%采样率实现了48×48像素的汉字图像重建，如图11。从图11中可以看出，由于采样率较低，成像质量较差，需要提高采样率或使用更加优化的重建算法。

图11 使用旋转掩码盘的单像素重建图像Fig.11 Reconstructed images of single pixed using spinning disk

2.2.2 调制泵浦光束或探测光束

与光学空间光调制器相比，由于太赫兹辐射波长更长，空间光调制器在调制太赫兹波束时，空间调制精度和空间分辨率都较低，Zhao等[35]提出调制探测光束来确定太赫兹辐射的空间分布，其装置示意图如图12。图12中，通过光整流的方式产生太赫兹辐射透射样品，波长为800 nm的探测光经过空间光调制器进行空间编码后被分束晶体反射到ZnTe晶体中与太赫兹光束共线传播，经过1/4波片、渥拉斯顿棱镜进入平衡光电二极管中进行电光采样。这种成像方式的空间分辨率受到样品厚度、太赫兹辐射波长、样品和检测晶体之间的距离影响。在随后的实验中，Zhao等通过将样品放置在距离检测晶体70 μm的地方，以50%的采样率实现了60 μm的空间分辨率。另一种成像方式是利用已经调制的泵浦光产生太赫兹辐射，这样，在光整流过程中太赫兹辐射直接以光场的方式形成，这种成像方式首先是由Olivieri等[36]提出并验证，这种方式产生的太赫兹辐射强度正比于入射光强。因为产生的太赫兹波束已经被空间调制，所以当太赫兹波传播到样品表面时已经不是原始模式，而是经过传播之后的模式，所以该成像方式只适用于近场成像，而且由于衍射存在，重建图像受到误差和伪像的严重影响。

单像素成像虽然能够以欠采样的方式重建获得样品图像，但是由于这种采样获得的信号数量远远少于未知数的数量，重建的图像模糊不清，解决方式是提升采样比或者多次采样以获得更多的方程数量，但是随着成像次数的提升花费的时间也会增加，因此仍需要研究更加优化的信息压缩感知编码方法。

图12 调制探测光束进行单像素成像的装置示意图[35]Fig.12 Schematic of a device for modulating the detection beam for single pixel imaging[35]

2.3 合成孔径雷达和探测器阵列结合的太赫兹二维成像技术

由于探测器的限制，传统太赫兹探测器只能采集单个像素点信息，因此亟须发展能探测多个像素点的太赫兹探测器。Sheen等[37]提出将探测器制作成多静态阵列拓扑结构，这个结构采用4个线性阵列组成一个方形，内部中空，发射器位于阵列的左右侧，接收器位于顶部和底部。左右发射器发射的辐射被样品反射后由上下方的接收器接收。为了实现快速采集，阵列必须大致与成像物体大小相同，如果物体为1 m2，元件间隔10 mm的阵列结构就有200个发射元件，200个接收元件。制造这样的探测器阵列需要高精度的制造技术，价格昂贵，而且数千个探测器阵列价格昂贵，结构复杂，实用性不高。Jiang等[38]结合了合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)和探测器阵列，提出了一种太赫兹成像的新方法。合成孔径雷达的几何示意图如图13，探测物体的坐标系OXYZ是固定的，“扫描雷达”由多个探测器组成，在距离探测物平面Z=Zc的位置，即X0O0Y0平面内旋转扫描。这种旋转平台在平面内旋转，没有曲面反射镜等成像原件造成的像差，并在系统成本和成像速度之间做出了权衡。但是，多个探测器密集集成会因为它们之间的串扰而存在问题，此外，因为不能将锁相放大器集成到探测器阵列中，信噪比低，成像质量差。

2.4 太赫兹波电光调制二维成像

上述合成孔径雷达和探测器阵列结合的太赫兹成像方法虽然实现了多维扫描，提升了太赫兹成像技术的实用性，然而，这种成像方式主要是通过将太赫兹辐射聚焦在一个点上并扫描获得，本质上仍是点扫描方式获得图像，难以实现实时成像。为了解决这一问题，Wu等[39]提出了二维电光采样( electro-optic sampling，EOS)的方式配合CCD相机拍摄实时图像，使太赫兹实时成像成为可能。图14为电光调制太赫兹成像的实验装置示意图，采用的激光源是脉冲时间小于50 fs的钛宝石激光器，并且使用GaAs晶片产生太赫兹辐射。通过使用离轴抛物面镜将太赫兹辐射聚焦在厚0.9 mm、面积为6 mm×8 mm、晶体取向为<110>的ZnTe晶体上。探测光束的直径大于太赫兹波束，通过相互垂直的偏振器和偏振分析器后，传感器晶体中的二维电场分布被转换成二维光强分布并被CCD相机记录光学图像。

图13 太赫兹成像雷达[38]Fig.13 Terahertz imaging radar[38]

图14 电光太赫兹成像实验装置[39]Fig.14 Electro-optic terahertz imaging experimental device[39]

在电光采样中最常用的检测方法是平衡检测法直接测量电场，探测光束和太赫兹光束汇合后首先通过电光晶体，电光晶体被太赫兹辐射改变了晶体性质，对探测光产生了双折射，因此线偏振的探测光被太赫兹辐射调制，变为椭圆偏振光，随后探测光通过1/4波片和渥拉斯顿棱镜，分成2束相互垂直的偏振光I1和I2被2个探测器接收，根据线偏振光的强度差值计算出太赫兹辐射的信息，同时还可以根据强度差值使用锁相放大器减小噪声。Hattori等[40]提出将光外差检测( optical heterodyne detection，OHD)方法应用到CCD相机对THz的二维空间分布成像中。光外差探测方式利用探测光和太赫兹信号在CCD相机的光敏面上形成拍频信号并输出中频光电流，从而检测出太赫兹辐射中的调制信号，在Hattori的实验中，太赫兹光束和探测光束汇合后依次通过电光晶体、1/4波片和偏振分析器，然后被CCD相机接收。探测光的强度可以表示为

I=I0[η+sin2(θ+δ)]

(6)

(6)式中：1/4波片的光轴平行于入射光的偏振方向；分析仪的光轴方向与光路方向的夹角为δ；θ是电光效应产生的相位差；η是由于光学器件固有的双折射和散射引起的背景贡献。

上述方法中无法使用锁相放大器抑制噪声，导致图像信噪比较低，为解决这个问题，Jiang等[41]提出使用动态减法可以减少长期光背景漂移，Zhang等[15]将其应用到以CCD相机作为探测器的装置中，图15是其实验装置图示意图。飞秒激光器发出的探测光入射到分频器中，探测光的同步频率被分频器分成32和64分频，这2个输出频率分别用于触发斩波器和CCD相机，假设CCD相机拍摄的奇数帧包含有背景信息和样品信号，而偶数帧只包含背景信号，信号S就可以从奇数帧探测光强I2n-1和偶数帧探测光强I2n中动态提取，表示为

(7)

图16是Zhang等利用该技术对塑料玩具枪进行实时成像，尽管成像质量较差，但是能够分辨出玩具枪的轮廓。

图15 动态减法太赫兹实时成像[15]Fig.15 Terahertz real-time imaging with dynamic subtraction[15]

2.5 太赫兹波二维探测器阵列(太赫兹相机)直接成像技术

上述CCD相机与电光效应相结合的方法虽然为实时成像提供了可能，但是该成像方法中必须使用与太赫兹波同步的探测脉冲，因此必须使用较高功率的脉冲激光系统，该系统结构较复杂，体积较大，不利于实际使用推广。因此，发展高灵敏度的集成的宽带太赫兹波二维探测单元阵列直接进行二维成像可以真正实现实时成像，这类探测技术利用太赫兹波照射探测器使其温度发生变化并引起其某些物理性质改变，通过探测物理性质的变化直接得到太赫兹波强度二维分布。

图16 玩具枪太赫兹实时成像[15]Fig.16 Terahertz real-time images of the toy gun[15]

2.5.1 二维热释电探测器阵列太赫兹相机

热释电探测器是基于热释电效应制成的。当一些晶体温度发生变化时，其表面的极化强度也会随之变化，在晶体的某个方向上就会产生表面电荷，当晶体温度稳定或者变化很慢时，表面电荷会被空气中的电荷中和，如果晶体温度变化较快，空气中的电荷不能将晶体表面电荷中和，晶体表面就会产生可以被探测到的热释电电流。图17是热释电探测器的结构示意图[42]，由封装外壳、热释电敏感元件和读出电路3部分组成，热释电敏感元件置于半空中，封装外壳包括底座、外壳、金属包边和引脚，底座、外壳和金属包边形成双层封闭结构能够屏蔽读出电路的电磁干扰，使输出信号更稳定。读出电路设置在金属包边的背面，与引脚相连。太赫兹辐射通过窗口照射到热释电敏感元件上，热释电元件产生的电流信号通过金属包边将信号传出到读出电路中放大并通过引脚传输出去，整个过程都在密封空间中完成，将环境干扰减到最小。

图17 热释电探测器示意图[42]Fig.17 Diagram of pyroelectric detector [42]

Yang[14]提出将热释电照相机应用于太赫兹成像系统中对包装在快递袋中的螺母进行成像，螺母的轮廓清晰可见，如图18。Yang所使用的热释电相机是由LiTaO3热电晶体组成的124×124探测阵列，入射在热释电晶体上的太赫兹波被吸收并产生热量，从而在表面产生电荷，通过读取电荷进行检测来实现实时成像。因此这种成像系统不需要探测光路，可以使用结构更加简单紧凑的连续波太赫兹系统。热释电探测器太赫兹相机的缺点是成像分辨率低，而且灵敏度低，需要较强的太赫兹波束。

图18 信封下的螺母太赫兹成像[14]Fig.18 Terahertz imaging of nut under the envelope [14]

2.5.2 二维微测热辐射计阵列太赫兹相机

为了克服热释电探测器太赫兹相机的缺点，Tohyama[43]提出将红外相机中的微测热辐射计阵列探测器作为太赫兹探测器，该探测器通过探测太赫兹波吸收引起的温度升高而引起的测辐射热计的电阻变化来探测太赫兹辐射。传统的微测辐射热计阵列如图19a，包含辐射热测量薄膜和读出集成电路组成的一个薄金属层作为太赫兹吸收器，吸收器下方有一个反射层，它们之间有一个空气层，未被吸收的太赫兹波通过反射层重新反射回太赫兹吸收器增加探测器的灵敏度，太赫兹辐射的吸收效率与空气间隙的厚度有关，吸收效率最高时，空气间隙的厚度应该与太赫兹辐射的波长在同一量级。每个微侧热辐射计探测单元的腔长大约为3～4 μm，比太赫兹辐射的波长小得多(大约为100 μm)。因此，这种太赫兹探测器在低频时的灵敏度很低，为了提高灵敏度需要增加空气间隙的厚度，然而，当空气间隙增加到8 μm时，探测器会出现裂纹，使能探测的像素数量大大减少。Natsuki团队提出了一种新型基于微测热辐射计阵列的太赫兹相机(1)http://www.nec.w.jp/geo/jp/products/hxo830ml.html，他们在探测器单元中的空气间隙中插入了一层SiNx层(如图19b)，SiNx对太赫兹辐射透明，并且折射率为1.9，增加了空气间隙的有效长度。

图19 太赫兹探测器Fig.19 THz detectors

目前较为成熟的商用的基于非制冷微测热辐射计的太赫兹相机由日本NEC公司生产，实物图如图20。太赫兹波频率响应为1～7 THz，320×240像素，单个像素为23.5 μm。这类太赫兹相机缺点是价格昂贵，而且灵敏度仍然较低。

图20 非制冷微测热辐射计太赫兹相机[45]Fig.20 Uncooled microbolometer THz camera[45]

3 总 结

太赫兹成像作为一种新型的成像手段具有广泛的应用前景，但这项技术受到成像速度的限制。本文介绍了太赫兹成像技术的原理，分析了造成太赫兹成像速度缓慢的原因，并着重分析了提高太赫兹成像速度的技术手段及其优缺点。快速扫描成像通过使用高速位移平台，将太赫兹光束聚焦成线状或面状等手段提升了成像速度，然而高速机械位移平台来回中断的线性位移限制了扫描速度，因此使用能连续移动的转镜扫描技术是一种简单且经济的解决方案，但是它们的速度仍然受到电机精准度和电机高速转动引起的空气湍流的限制，所以替换非机械延迟线的方案如异步光学采样方式颇具吸引力，但是异步光学采样技术需要使用2台飞秒激光器，价格昂贵，因此未来需要降低系统成本，寻找能由一台激光器发出具有固定频率差的激光的方式；单像素成像能够突破香农定理实现欠采样，但现有的技术只能对结构简单的物体成像且成像质量较差，并且同一个掩膜适用的图形有限，未来需要寻找更加优化的信息重构方法能够以低采样率实现更好的重构效果，设计出能以更少损耗实现将太赫兹辐射由高斯分布转换成平面分布的器件，探索制作动态掩膜的材料如液晶材料或光控的半导体材料以增加掩膜适用的图形数量，探索超材料，制作基本单元尺寸在亚波长量级的掩膜以实现更高的分辨率；电光效应与CCD相机相结合的电光调制二维太赫兹成像和太赫兹相机都能实现实时成像，与单像素探测器不同，线扫描和面扫描探测的太赫兹光束散布更大，CCD相机不能配合锁相放大器使用，这使得成像信噪比很低，如何提升信噪比，改善成像质量这是电光采样技术需要解决的问题；太赫兹相机在未来需要小型化，在不冷却的情况下能够在室温下工作并且具有足够的灵敏度。微测辐射热计在低温情况下具有很高的灵敏度，但是在室温下灵敏度较低，未来可以将法布里-玻罗腔或者超材料引入到微测辐射热计中增加太赫兹辐射的吸收来提高室温下的灵敏度。有理由相信，随着更高功率的太赫兹辐射源和更高灵敏度探测器以及太赫兹成像技术的发展，能够实现更高分辨率、高灵敏度、高信噪比的实时太赫兹成像，为国防安全、生物医学、工业检测等领域提供强有力的工具。