曹丙花等 光行天下 2022-05-22 00:00 Posted on 四川
摘要：目前太赫兹(Terahertz, THz)成像技术在许多领域被视为最前沿技术之一，经过20年的发展，取得了巨大进步。随着科研、医疗、军事以及工业应用需求的增长，高分辨率THz图像变得不可或缺。超分辨率成像是目前THz技术的研究热点。本文首先回顾了THz系统的成像方法，包括连续波成像与脉冲波成像两种方式；在此基础上，详细介绍了THz超分辨率成像系统与THz信号处理技术，其中超分辨率成像系统包括近场成像、超透镜以及太喷射装置等，THz信号处理技术包括超分辨率重建与卷积计算等；最后，通过分析目前超分辨率成像存在的不足，比如系统的制造工艺要求高、采集速度慢以及重建图像使用的学习样本分辨率较低等，从而进一步对超分辨率成像研究方向进行展望。
关键词：太赫兹；近场成像；超透镜；光子喷射；超分辨率重建；卷积
太赫兹（Terahertz，THz）波是介于毫米波与红外光之间的电磁波谱，频率在0.1~10 THz之间。与微波、红外成像相比，THz波具有以下特性：光子能量低，对物质电离作用小；易透过陶瓷、塑料等常见非极性和非金属材料，可对其内部进行成像；许多生物大分子振动和转动能级处于THz频段，可以建立分子指纹特征谱，鉴别物质成分；对水敏感性高，非常适合做物质的含水量分析等等。这些特性使THz技术被广泛地应用于光谱分析、安全检查、医疗诊断以及工业检测等领域。
在无损检测中，THz检测及成像技术得到了很好的应用，比如在热障涂层的检测中取得了一些研究成果。然而，为了研究热障涂层服役状态与内部微观结构的关系，以直观反映涂层内部信息，需要重建高质量图像。在其它领域的应用中也有同样需求。因此，如何获得THz超分辨率图像已经成为THz技术的研究热点。
目前，THz超分辨率成像主要有两种解决方案：一个是成像系统方面，以近场探测倏逝波来突破衍射极限的思路设计相关光学器件，采集近场倏逝波，达到超分辨率成像目的；以超材料为基础的超透镜实现对倏逝波放大，以达到超分辨率成像；此外，THz波段的喷射效应也可实现超分辨率成像。另一个是信号处理方面，超分辨率重建与卷积计算均为提升图像质量的有效手段。通过学习方法建立模型，确定低分辨率图像与高分辨率图像之间的映射关系，进一步对未知低分辨率图像进行超分辨率预测，得到超分辨率图像；卷积计算等方法则是直接对低分辨率图像进行处理，以提高成像分辨率。
本文主要对利用成像系统以及信号处理技术实现超分辨率成像的方法进行综述。
THz成像可分为连续波成像与脉冲波成像。如图1(a)所示，THz连续波系统（Terahertz Continuous Wave, THz-CW）采集信号，使用THz波振幅信息进行实时成像。耿氏二极管作为辐射源，辐射出的THz波穿过分光镜(BS)后由透镜聚焦到待测样品上，最后由肖特基二极管和振荡器探测信号。图1(b)（彩图见期刊电子版）为THz时域光谱系统（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS），它可以同时获得振幅和相位信息进行成像。THz-TDS系统有透射模式和反射模式两种常用模式[14]，THz脉冲照射样品后将携带其信息，此时与探测脉冲共同作用至探测器上，实现信号采集，根据等效时间采样定理，还原时域THz波信号，实现THz脉冲的检测。
图1. 太赫兹成像装置原理图。（a）太赫兹连续波系统；（b）太赫兹时域光谱系统
2.2 太赫兹成像原理
连续成像系统应用THz信号强度信息成像，移动样品进行逐点扫描，可获得二维图像。目前有研究人员提出，基于三角波调制原理对连续THz波进行调频，可以实现样品内部不同深度信息的采集。
当THz脉冲作用在样本上时，可获取其透射或反射波形。其中，被测样本的折射率、吸收系数以及厚度等会改变THz波的脉冲幅度和相位。通过平移样本，可获取不同点的THz波形，从而逐个像素构建出被测样本完整的THz图像。由于每个像素都包含一个完整的时域波形，故THz时域波形的最大幅度、最小幅度或者到达时间均可以用来重建二维图像，经傅立叶变换到频域中，单个频点的幅值或者相位也可以用来重建图像。
THz-TDS层析成像可对三维物体的内部结构进行成像。将特定时间点的时域波形幅值作为成像特征，重建二维图像，堆叠不同时间点的二维图像可以重建出被测对象的三维图像。THz脉冲时间分辨率在皮秒量级，故飞行时间法能够以微米级分辨率确定交界面位置，还可以通过分析交界面处的反射率获得物质的折射率信息。
根据衍射效应可知，在光学成像过程中，一个点物经过光学系统后所成的不是一个点像，这从根本上限制了光学系统的成像性能。
样品散射信息中的近场信息包含了表征样品高频成分的倏逝波，因此有研究人员通过探测倏逝波，实现近场成像，突破衍射效应限制，提高成像分辨率。
物体发射或散射的电磁场可分为两个部分：远场与近场。其中，远场有能流传播，不携带样品细节信息，振幅与传播距离成反比；近场无能流传播，但携带更多细节信息，振幅随距离增加呈指数衰减。倏逝波作为近场的一种驻波，在介质边界处传播，如图2(a)所示，仅存在于样品表面波长范围内。Synge等人首次提出应用近场扫描系统实现光学超分辨率成像方法，如图2(b)所示。通过探针在近场探测倏逝波，可以实现λ/20的分辨能力。
研究人员借鉴微波、红外、可见光等其它波段成熟方法，提出了THz波段的近场成像技术，以实现物体表面的无损扫描。图3(a)是共焦法光学成像系统[25]，初步可实现λ/4分辨率。随后，研究人员发现应用波导探测反射信号，可降低传输损耗，提升入射与出射THz波的耦合效率，进一步提升成像分辨率。图3(b)将平行平板波导作为耦合增强装置，应用滤波反投影算法重建图像，最小分辨力可达100 μm（λ/15）。同样，Yu等人结合3D打印技术设计THz空芯共焦波导，实现超分辨率成像。孔径法则将亚波长孔径放置于近场区域内，通过探测器采集倏逝波，其空间分辨率不受入射波长限制，图3(c)为同心周期凹槽的亚波长孔径，这种结构实现了λ/17的空间分辨率。光导探针结构如图3(d)所示，光电导天线设计为亚波长量级锥形针尖结构，将针尖放置于样品近场区域，可以获得超高分辨率。如图3(e)所示，采用直径为0.2 μm的探针对封装芯片进行检测，最小分辨精度能达到0.55 μm，目前光导探针测量技术在生物医学诊断、电路缺陷检测等相关领域得到了广泛的应用。
图3. 太赫兹近场成像方法示意图。（a）共焦法原理图[25]；（b）波导法示意图；（c）孔径法示意图[31]；（d）光导探针示意图；（e）光导探针测量过程示意图
THz超分辨率成像是成像系统不懈追求的永恒目标。为了提升成像分辨率，研究人员将大量精力投入成像系统研发与信号处理两个方面。
未来超分辨率成像研究方向主要包括以下方面：(1) THz量子级联激光器因结构紧凑、功率较高，THz成像领域备受关注，而大功率THz源是提升成像系统稳定性的关键之一，因此，结合THz量子级联激光器技术进行实时、大景深以及超分辨率成像系统的研发是各领域重点关注方向；(2) 将可编程技术与超材料融合是目前的热点，目前在3 GHz工作频率下已实现智能化实时成像，因此，有望进一步向THz频段迈进；(3) 超分辨率图像重建算法是前沿课题，在THz波段引入AI算法建立模型，建立常规成像与THz成像信息的映射关系，实现超分辨率重建。总而言之，成像分辨率提升是一个复杂问题，需要在THz源、光学系统、信号处理等各个方面进行研究与突破。
鉴于篇幅，本文仅为节选（中国光学 第15卷 第3期）
