太赫茲成像技術研究進展及應用

周強國，黃志明

(1.中國科學院上海技術物理研究所 紅外物理國家重點實驗室，上海 200083；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

太赫茲波指頻率在0.1～10 THz（1 THz＝1012Hz）范圍內的電磁波。太赫茲技術是研究太赫茲波的產生方式、探測和應用的技術[1]。太赫茲成像技術是新興的前沿交叉科學技術，涉及物理學、材料學、化學以及工程技術等領域。太赫茲成像技術利用太赫茲脈沖作用于目標物，不僅可以透過目標成像，而且可以通過獲取目標物反射的太赫茲脈沖強度、相位等信息，再通過數字信號處理和頻譜分析實現太赫茲成像[2]。本文對太赫茲時域光譜（THz-TDS,terahertz time-domain spectroscopy）成像技術以及非制冷微測輻射熱計太赫茲成像技術的發展現狀進行綜述，再介紹太赫茲成像技術在國家安全、安全檢查、生物醫學以及環境監測等方面的應用，最后對太赫茲成像技術在發展中存在的影響因素進行分析。

1 太赫茲時域光譜成像技術

隨著信息技術的快速發展，THz-TDS 成像技術在工程（如資源勘探和食品加工）、高速通信、天文研究以及生物醫療等領域表現出廣闊的應用前景[3]。越來越多的國家和科研單位開始對THz-TDS 成像技術進行深入的研究，獲得了高信噪比、高分辨率的圖像，滿足了不同領域的應用需求。

1.1 太赫茲脈沖掃描成像

太赫茲脈沖掃描成像利用太赫茲脈沖信號對放在二維掃描平移臺上的目標物進行逐點掃描。目標物在垂直于太赫茲波傳輸方向的X-Y平面上移動，脈沖信號通過目標物的不同位置，記錄不同位置的透射信息或反射信息，獲取每個像素點的時域波形，通過傅里葉變換技術提取頻譜中包含的相位和振幅等信息，經頻譜分析構建目標物的圖像。太赫茲脈沖成像具有信噪比較高的優點，其分辨率可以達到亞毫米級[4]。最早AT&T、美國貝爾實驗室（Bell Laboratory）和IBM公司通過光電導[5-6]或光整流[7-9]的方法獲得寬頻太赫茲脈沖。隨著科技的進步，使用聚焦的飛秒激光將焦點位置處的空氣產生電離，形成空氣等離子體，利用其中的光學非線性效應也能夠產生太赫茲脈沖[10-12]。圖1(a)為光電導法產生THz 波，(b)為光整流效應產生THz 波,(c)為空氣等離子體效應產生太赫茲輻射。

圖1 太赫茲輻射產生方法(a) 光電導效應；(b)光整流效應；(c)空氣等離子體效應Fig.1 (a)Photo conductance effect;(b)Optical rectification effect;(c)Air plasma effect

1995年，B.Hu 等人[13-14]使用800 nm 的脈沖激光對樹葉進行了逐點掃描成像，通過語音識別算法提取樣品的相位和振幅信息。該系統的具體光路圖見圖2，實驗結果如圖3所示，圖像中顏色深淺反映了含水量狀況，顏色越深表明含水量越多。由于該系統沒有采用鎖相放大器（lock-in amplifier,LIA），所以信噪比偏低。為了改善信噪比狀況，在1997-2001年，T.Dorney 等人[15]研制了反射式太赫茲成像系統，通過具有位相轉換的干涉儀裝置有效抑制了背景噪聲，極大提高了信噪比和深度分辨率。實驗結果顯示，該系統分辨能力可達到分辨相干長度的2%。2008年，D.Banerjee 等人利用太赫茲脈沖掃描成像對紙張中的含水量進行檢測。由于太赫茲輻射對紙張中水分細微變化比較敏感，對纖維的散射并不敏感，利用此特性可以達到較高的測量精度[16]。1996年，美國倫斯勒大學Zhang 等人[17]研制了脈沖式焦平面成像系統，提高了太赫茲成像的信噪比，拓展了太赫茲成像的應用范圍。之后，Zhang 等人又通過動態相減技術，使用斬波器對信號的輸出頻率進行調制，并結合CCD 同步控制，有效減少了背景噪聲的影響，提升了脈沖焦平面成像在實際應用中的價值[18]。2006年，Zhong 等人[19]通過反射式太赫茲脈沖焦平面成像系統對多種化學物質進行光譜檢測。該系統采用反射測量模式，提高了成像系統的實用性能。

圖2 透射型太赫茲成像系統原理圖[13]Fig.2 Schematic diagram of transmission THz imaging system[13]

圖3 利用透射型太赫茲成像系統對樹葉進行掃描成像：(a) 新鮮樹葉成像；(b)48 h 后的樹葉成像[13]Fig.3 The leaves were scanned and imaged using a transmissive THz imaging system:(a)Fresh leaves;(b)Leaves after 48 hours[13]

由于太赫茲脈沖成像存在一定耗時的問題，時間過長對成像質量會產生較大影響。日本大阪大學Yasui等人[20]對太赫茲成像系統進行了改進，研發了脈沖焦線成像系統。其光路原理圖見圖4(a)，太赫茲波通過柱透鏡（CL1）匯聚成一條焦線照射在樣品上，通過樣品后的太赫茲焦線又經過一個球透鏡（L2）和另一個柱透鏡（CL2）被準直為平行光。在探測光路中，探測光首先經過擴束，并與太赫茲光束形成非共線重合。不同重合區域對應著不同的時間延遲。在重合區域，探測光和探測晶體保持相對垂直，由探測晶體對太赫茲信號進行光電采樣。因此利用此成像技術不需要對太赫茲信號進行時域掃描，能夠直接從CMOS 相機獲取的圖像中提取出太赫茲時域信號，很大程度上縮短實驗耗時。Yasui 等人[20]利用此系統對一個金屬孔陣列樣品進行了成像測試。樣品分為4 個區域，孔陣列尺寸在每個區域中是不同的，樣品以1 mm/s 的移動速度橫向通過太赫茲焦線。圖4(b)為樣品在0.204 THz、0.407 THz、0.815 THz、1.600 THz 處的太赫茲圖像。此外，由于使用CMOS 相機采集太赫茲圖像，不能進行到鎖相濾波導致太赫茲信號的信噪比偏低。2010年，Schirmer 等人使用太赫茲脈沖焦線成像技術對牙齒等組織進行了檢測，實驗證明此系統在生物檢測中具有良好的效果[21]。2011年，Blanchard 等人將太赫茲脈沖焦平面成像的圖像分辨率提升到14 μm，達到了相應太赫茲波長（430 μm,0.7 THz）的1/30，實現了太赫茲近場顯微[22]。該此系統采用了準近場探測和差分電光探測的測量方式，特別之處在于所使用的探測晶體為20 μm 厚的LiNbO3晶體。LiNbO3具有較強的電光系數，對太赫茲脈沖信號可以產生敏感的響應。此工作表明了脈沖焦平面成像系統能夠對微米尺寸的樣品進行檢測，極大拓展了太赫茲成像技術的應用領域[14]。

圖4 太赫茲成像系統及樣品的太赫茲圖像：(a) 太赫茲脈沖焦線成像系統；(b) 金屬孔陣列樣品以及其在0.204THz、0.407THz、0.815 THz、1.600THz 處的太赫茲圖像[20]Fig.4 Terahertz imaging system and terahertz images of samples:(a) THz pulse focal imaging system;(b)THz images of metal hole array samples and samples at 0.204 THz,0.407 THz,0.815 THz,1.600 THz[20]

1.2 太赫茲實時成像

太赫茲實時焦平面成像系統屬于反射式太赫茲成像系統，該系統不需要對待測物體進行二維掃描就可以獲得整個待測物體的光譜信息，可以減少太赫茲逐點成像時間過長帶來的不利影響。圖5為Zhang 和Nick 等人[23]研制的基于電光材料的太赫茲實時焦平面成像系統。電光晶體取樣測量技術可以直接觀測到太赫茲電場的二維強度分布，不需要光熱效應以及光子效應，系統響應時間雖然較短，但電光晶體的缺陷會影響成像質量。

圖5 太赫茲實時焦平面成像系統[23]Fig.5 THz real-time focal plane imaging system[23]

Zhang 等人為檢測哥倫比亞號航天飛機失事的原因，建成了第一套小型化、便攜式太赫茲連續波成像系統，與掃描成像相比，該系統可以提升信息的提取速度[24]。實驗表明太赫茲成像技術在無損檢測方面表現出優異的性能，是X 射線以及超聲波等無法比擬的。為了進一步消除光電探測晶體材料本身缺陷對成像帶來的影響，提高太赫茲實時成像性能，2007年Hattori等人通過采用一種數據處理方法將太赫茲實時成像中探測晶體自身不均勻的光學性質以及光波散射所造成的圖像畸變分別提取出來，并對產生這些影響的因素進行消除，可以進一步優化太赫茲實時成像的質量[25]。之后，Yasuda 等人[26]通過使用太赫茲實時成像技術對水管中的水滴和塑料袋中的小鐵釘進行成像，結合CMOS 攝像頭能夠清晰地觀測物體的移動過程。此外為了研究太赫茲脈沖在晶體中的衍射過程，Nelson 等人設計了一種新型的太赫茲實時成像系統，通過把待測物體置于LiNbO3晶體里，通過飛秒激光的基頻光以及倍頻光一起輻射LiNbO3晶體，利用基頻光產生太赫茲脈沖，倍頻光用于探測太赫茲脈沖，觀察到了太赫茲脈沖在LiNbO3晶體中的衍射過程[27]。

2009年英國的Thru Vision 公司研制了多通道外差接收陣列的無源焦平面成像系統，使成像距離大于20 m，幀速高于10 Hz，可用于車載成像，是首次投入安檢使用的太赫茲無源檢測系統[28]。2013年，Han等人[29]報道了基于InGaAs 的肖特基二極管（Schottky barrier diode,SBD）陣列探測器，可用于太赫茲實時成像，其平均響應率為98.5 V/W，NEP≈10－10W/Hz1/2。

對于國內，深圳大學Y.Jun 等人通過熱釋電焦平面陣列PY-III 型，首次開展了1.89 THz 的成像研究[30]。此后，哈爾濱工業大學通過熱釋電焦平面陣列PY-III型和SIFIR50 CO2氣體太赫茲激光器結合，研制了太赫茲實時成像系統，分別在1.63 THz、2.45 THz 和2.52 THz 頻率下進行太赫茲成像，透射成像分辨率達到0.6 mm[31-33]。此系統具有功耗小、成本低、成像質量好等特點，但檢測靈敏度偏低，需要使用斬波器作為輔助。

1.3 太赫茲近場成像

由于太赫茲波屬于遠紅外輻射，通過瑞利判據可以知道，太赫茲成像受到波長對應的衍射極限限制，分辨率比可見光要低，無法滿足高精度測量要求。對于傳統的太赫茲逐點成像系統和實時成像系統，成像分辨率一般在亞毫米量級，限制了太赫茲成像技術的實用性以及太赫茲成像系統的分辨率，所以突破衍射極限是非常有必要的。為此提出了太赫茲近場成像技術，該技術極大提高了太赫茲成像的性能，圖6為太赫茲脈沖近場掃描成像系統[34]。通常所說的太赫茲近場成像技術是指太赫茲掃描近場光學顯微（THz scanning near field optical microscopy,THz -SNOM）技術。

圖6 太赫茲脈沖近場掃描成像系統[34]Fig.6 THz pulse near-field scan imaging system[34]

太赫茲近場成像技術的發展主要有以下幾種：基于散射式的THz-SNOMs、孔徑的THz-SNOMs 以及基于時域光譜的THz-SNOMs。本部分內容主要對散射式的THz-SNOMs 技術研究進行綜述。

Huber 等人[35]使用原子力顯微鏡（atomic force microscope,AFM）研究了遠場探測背向散射信號的THz-SNOMs 技術。使用太赫茲激光器對半導體晶體管在2.52 THz 進行近場顯微成像，得到空間分辨率約40 mm 的圖像。2012年，Moon 等人[36]通過光電導天線作為太赫茲源，研制了散射式THz-SNOMs 系統，成功獲取近場信號。經過對Si 襯底上的金屬薄片進行掃描成像，獲得空間分辨率200 nm 左右的圖像。2016年，英國利茲大學Dean 等人[37]使用量子級聯激光器（quantum cascade laser，QCL）作為激光源，利用探針技術，采用自混頻方式檢測近場散射的信號，得到空間分辨率為1 μm 的圖像。之后，Kuschewski 等人[38]將高功率的自由電子激光器（Free-electron laser,FEL）作為輻射源，對金屬納米顆粒在1.3～8.5 THz 頻段內進行探測識別，得到空間分辨率為50 nm 的顯微圖像。2017年，劍橋大學卡文迪許實驗室Degl 等人[39]同樣采用QCL 作為輻射源和自混頻的方式檢測信號，通過石英音叉對金屬納米探針的振動進行控制，并對等離體子共振天線結構進行散射式近場成像，空間分辨率達到78 nm。2018年，Liewald 等人[40]使用頻率為0.5～0.75 THz 的肖特基二極管（SBD）作為泵浦源，研制散射式THz-SNOMs 系統，該系統采用外差檢測技術，獲得近場信號的相位和振幅。通過對半導體載流子進行表征，得到空間分辨率大約為50 nm 的太赫茲近場圖像。

上述關于THz-SNOMs 系統多數采用氣體激光器、光電導天線或者QCL 作為發射源，并沒有達到毫米波段納米量級分辨率。上海理工大學的游冠軍等人[41]與SNOMs 技術開創者Fritz Keilmann 合作，開展以QCL 為光源的太赫茲SNOMs 技術的研究。于2016年，建成國內首套自主研發的散射式THz-SNOMs 系統，該系統采用高階解調背景壓縮技術，能有效提取散射近場信號，在獲得高空間分辨率的同時仍能保持極高的信噪比。之后，又通過使用0.1～0.3 THz 頻段的太赫茲倍頻模塊作為發射源，研制了空間分辨率為納米級的散射式THz-SNOMs 系統。該系統通過納米探針將樣品表面的倏逝波轉為遠場輻射波，再通過探針逐點掃描技術即可獲得太赫茲近場圖像。經過實驗表明散射式THz-SNOMs 系統分別在196 GHz 和276 GHz 的頻率下對Si 襯底的金屬膜進行成像，都獲得了空間分辨率小于60 nm 的圖像，圖7為散射式THz-SNOMs 系統實驗裝置與系統原理圖。

圖7 高空間分辨率的散射式THz-SNOMs 系統：(a) 實驗裝置；(b) 系統原理圖[41]Fig.7 Scattering THz-SNOMs system with high spatial resolution:(a)Photos of experimental apparatus and(b)System principle[41]

1.4 太赫茲共焦掃描成像

太赫茲共焦掃描成像具有太赫茲成像和激光共聚焦掃描成像的優點，按照成像方式分為反射式和透射式。

2006年，德國Salhi M.A.等人[42]首次實現了半共焦透射式掃描顯微鏡，圖8(a)為半共焦透射式掃描光路圖。但在半共焦裝置中，由于樣品直接放在了針孔后面，導致成像尺寸被限制。之后，Salhi M.A.在半共焦掃描顯微成像系統的基礎上，設計了透射式共焦掃描成像系統[43]，通過遠紅外氣體激光器泵浦產生2.52 THz 的激光，其空間分辨率可以達到0.26 mm，圖8(b)為透射式共焦掃描成像系統。2009年，Salhi M.A.等人[44-45]改進半共焦掃描顯微成像系統，將探測針孔的尺寸設計為0.5 mm，實驗表明加入針孔后空間分辨率得到進一步提升，使共焦成像分辨率高于普通光學系統。

圖8 共焦掃描成像系統：(a) 透射式半共焦掃描成像系統；(b) 透射式共焦掃描成像系統[42-43]Fig.8 Confocal scanning imaging system:(a)Transmission type semi-confocal scanning and(b)Confocal scanning imaging system[42-43]

2008年，Zinovev N.N.等人[46]研制了透射式太赫茲成像實驗裝置系統，通過飛秒激光器激發光電導天線產生太赫茲輻射，樣品為鍍在Si 基片上的Cr 層構成的光柵陣列。通過實驗獲得樣品的太赫茲脈沖波形和頻譜，但針孔的加入并沒有改變太赫茲脈沖的頻率成分。之后，韓國的Lim M.等人[47]提出了太赫茲反射式共焦掃描顯微成像系統，該系統包括太赫茲源、分光片、透鏡、探測器以及銅制針孔等。系統中使用的太赫茲波長為0.3 mm，3 個透鏡分別起到準直、物鏡和收集鏡的作用，針孔放置于收集鏡的焦平面處，經過計算成像分辨率可以達到40 μm。為了進一步獲取太赫茲輻射信息，2012年，R.U.Siciliani de Cumis 等人研制了QCL 共焦顯微成像系統，該系統使用了能夠高度透射太赫茲輻射的透鏡，可以更好地準直以及收集太赫茲輻射信息[48]。2014年，Hwang 等人[49]研發了自由電子激光脈沖的透射式成像實驗裝置，使太赫茲輻射頻率達到2.7 THz，并對活體鼠皮膚進行觀測，發現細胞對于太赫茲輻射具有良好的動態反應。

國內有關太赫茲共焦掃描成像屬于起步階段，相關研究成果較少，目前對此開展研究的單位主要有電子科技大學、首都師范大學和哈爾濱工業大學。

2008年，首都師范大學張艷東等人[50]使用相干探測的技術，得到了太赫茲反射式共焦掃描顯微成像。該系統利用耿氏振蕩器激發產生0.2 THz 的輻射，針孔尺寸大小為2 mm，軸向分辨率為25.5 mm。由于針孔尺寸較大以及波長較長，成像分辨率偏低。為了解決上述問題，2010年哈爾濱工業大學丁勝暉等人通過SIFIR-50 的CO2抽運連續太赫茲激光器研制了透射式共焦掃描顯微成像系統[51]。該探測器為P4-42 型熱釋電探測器，光源處的針孔和探測針孔分別為1.2 mm、0.6 mm。經過實驗證明，所獲得圖像的橫向分辨率得到明顯提升，并且對金屬片小于0.25 mm 的微小區域也能成像。2011年天津大學邸志剛等人研發了連續掃描的太赫茲成像系統[52]，太赫茲所采用光源為FIRL-100，產生2.52 THz 的輻射，探測器采用LiO3Ta的熱釋電探測器，經實驗結果表明該系統的橫向分辨率小于0.5 mm，獲得了較高的空間分辨率。

1.5 太赫茲三維成像

由于太赫茲三維成像技術可以更好地獲取樣品內部的信息，目前逐漸成為研究熱點。太赫茲三維成像技術主要有太赫茲計算機輔助層析（computed tomography,CT）成像、太赫茲衍射層析成像、太赫茲斷層成像和太赫茲數字全息等[53]。目前太赫茲三維成像技術使用較為成熟的是太赫茲CT 成像。

評價太赫茲三維成像系統的性能，探測距離是十分重要的評價指標。2006年，美國噴氣推進實驗室（Jet propulsion laboratory,JPL）研制了具有高分辨測距能力的THz 雷達成像系統。目標的距離為4 m 時，一維測距分辨率達到2 cm 左右[54]。之后，美國JPL 實驗室在662～691GHz 頻段通過調頻的方式成功實現了在25m處的三維成像，其中平面分辨率為1 cm，深度分辨率為7 mm[55]。為進一步提升探測距離，2008年弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer-Gesellschaft）通過采用調頻連續波（FMCW）與逆孔徑雷達相結合的技術，在0.220THz，成功在200 m 距離處實現二維成像，使分辨率達到了1.8 cm 左右[56]。2009年，美國西北太平洋國家實驗室（pacific northwest national laboratory,PNNL）[57-59]，在距離目標物5 m 處實現了三維成像，所使用的頻率為345.2～354.8 GHz，分辨率達到了1.5 cm，對3 m2的視場范圍成像時間為10 s。

2009年，德國RPG 公司通過在230～320 GHz 頻率范圍使用FMCW 技術在1.5 m 左右的探測距離實現了三維成像，深度分辨率為1.4 mm，距離0.5 m 處的平面分辨率達到4 mm，30 cm×20 cm 的視場范圍成像時間約為9 s（75×50 像素）[60-61]。之后，Brahm A.等通過THz-TDS 成像技術對裝有葡萄糖和乳糖的聚苯乙烯泡沫進行光譜層析成像，再與數據庫進行對比分析，能夠識別出葡萄糖以及乳糖在材料中的位置[62]。2014年，Brahm A.等[63]利用THz-TDS 成像技術對不同材料以及形狀的樣品進行CT 投影時的光學效應進行了深入的研究，并結合Zemax 軟件對投影圖像進行模擬仿真，實驗結果顯示所得到的折射效應與理論計算有著較好的吻合。

2010年，日本的Kato E.等通過超短脈沖光纖激光器激發光電導開關，產生3 THz 的脈沖信號，實現光譜三維層析分析[64]。該系統的特點在于使用光纖激光器和光電導開關產生太赫茲波，可以探測到整個頻帶內的振幅和相位投影信息，圖9(a)為三維光譜層析實驗裝置原理圖，(b)為實驗結果。

圖9 三維光譜層析實驗裝置及其成像結果：原理圖(a)及實驗結果(b)[64]Fig.9 Three-dimensional spectrum chromatography system and its imaging results:(a)Schematic diagram and(b)Experimental results [64]

同年，Buma T.等人通過將綜合孔徑聚焦技術與逐點成像技術結合，實現了對目標三維圖像的構建[65]。此外他們利用一種加權求和的算法，使重建圖像中出現的旁瓣假象問題得到解決。Abraham 等人通過太赫茲脈沖成像研究了折射率大的物體對三維層析成像的影響[66]。2011年，電子科技大學使用CO2泵浦CH3OH產生太赫茲波，并設計了面陣探測器連續THz 層析成像系統[67]。2012年，圣安德魯大學設計了0.34 THz超外差三維成像雷達系統，該系統通過發射共極化、接收共極化以及交叉極化用于顯示和處理。此項目開始于2008年，通過不斷地改進，在20 m 處獲得10 frames/s 的成像幀速率[68-69]。2016年，S.Tripathi 等人在窄線寬、可調諧太赫茲參量源和太赫茲轉換頻率上轉換探測技術對塑料物體進行CT 成像，由于該方法將太赫茲頻率的探測轉換到近紅外波段探測，在1.5 THz 附近探測動態范圍可達90 dB，很好地反映出物體內部信息以及缺陷位置[70]。2017年，周濤等人利用單載流子光電二極管（uni-traveling-carrier photo diode,UTC-PD）產生90～140 GHz 低相干太赫茲輻射，成功重建了陶瓷樣品的三維圖像，表明了太赫茲波在無損檢測中具有巨大的實用價值[71]。

1.6 太赫茲差分成像和偏振成像

在THz-TDS 技術中，利用差分探測技術可以進一步提高太赫茲脈沖的穩定性、準確性以及信噪比[72]。差分探測技術由于沒有使用正交偏振片，利用動態相減技術有效抑制了噪聲信號，提升了探測信號的強度。

2004年，Hattori T 和Rungsawang R 等人[73-74]通過使用太赫茲實時成像光學外差探測技術，提高了測量的線性程度，但是信噪比偏低，不夠理想。2007年，Pradarutti 等人設計了一套成像系統，基本上實現了差分成像，但是由于像素點較少，不能進行實時成像[75]。Kitahara 等通過將1/4 波片、CMOS 攝像頭以及線陣偏振片結合，成功實現了相鄰像素的差分成像[76]。2010年，Wiegand 等人分別將太赫茲波與探測波進行線聚焦，利用兩個線陣CMOS 攝像頭并結合差分探測技術，實現了太赫茲差分成像。該系統采用帶有振蕩器的激光光源，使太赫茲實時成像系統的可集成性能得到提高[77]。

在太赫茲成像技術中，多數采用光電導采樣和電光采樣的方法測量太赫茲脈沖，基本上忽略了其中存在的偏振因素。為了提高成像系統的信息獲取能力，可以通過改變探測光的偏振態實現對不同太赫茲偏振分量的高精度測量。

2005年，Planken 等人研發了新的光學探測技術，實現了對太赫茲偏振態的測量，其光路系統圖參照文獻[78]。2006年，Rutz 等人使用THz-TDS 成像技術，測量了有關液晶聚合物的雙折射特性，并使用太赫茲逐點成像技術探測到樣品中光軸方向的變化情況，但該技術并沒有觀測到樣品內部的狀況[79]。2009年，Jordens 等采用一種新的數據處理方式，利用太赫茲時域脈沖的光譜特性，能夠觀察到樣品內部的分布呈現各向異性[80]。2010年，L.Zhang 等人把石英晶體作為偏振器，由于石英晶體對太赫茲偏振分量的時間延遲不同，可提取樣品的偏振信息[81]，并利用此方法對泡沫的偏振信息進行了測量。

在國內對太赫茲差分成像和偏振成像有較深入研究的有張巖團隊[14,75]，為了提高成像系統的信噪比以及成像系統的信息獲取能力分別引入以下兩種技術：①將差分電光探測技術引入成像系統，使得單像素太赫茲信號的信噪比可以達到20 dB；②通過改變探測光的偏振態實現對不同太赫茲偏振分量的高精度測量，提升了探測靈敏度和精確度，圖10為該團隊對太赫茲脈沖焦平面成像系統的改進。

圖10 改進型太赫茲脈沖焦平面成像系統[14]Fig.10 Improvement of THz pulsed focal plane array imaging system[14]

1.7 其他太赫茲成像技術的研究

隨著科學技術的發展太赫茲成像技術取得重大進步，許多關鍵技術得到突破，使太赫茲成像的分辨率、靈敏度、響應頻率帶寬以及響應時間不斷得到提升。下面介紹比較有代表性的有關太赫茲成像技術的前沿研究，可以看出太赫茲成像技術的快速發展。

2007年，德國的法蘭克福大學研制了Hybrid 系統[82]，該系統可以將連續的太赫茲波分成兩束，其中一束用于對物體的探測，另一束不攜帶任何信息僅作為參考。通過對兩束太赫茲波進行比較能夠實現高分辨率的連續太赫茲波成像。

2010年，韓國Lee K 等人[83]研究了基于相干光學的太赫茲壓縮感知理論（Compress sensing，CS）的成像方式。CS 理論主要用于信號分析，它通過開發信號的稀疏特性，在遠小于Nyquist 采樣率的條件下，用隨機采樣的方式獲取信號的離散樣本，然后通過非線性算法重建信號。目前它在光學、信息處理、微波成像、模式識別等領域受到了廣泛的關注，在2007年被美國科技評論評為年度十大科技進展。2011年，美國哈佛大學Yu 等人[84]第一次提出了超表面的概念，研發了亞波長金屬天線器件，該器件對可見光場具有特殊的調制作用。2012年，Han 等人[85]通過使用130 mm數字CMOS 技術集成的280 GHz 4×4 SBD 成像探測陣列，在不需要使用復雜的光學系統下，成功實現了電子多像素掃描成像，響應率達到5.1 kV/W，NEP＝2.9×10－11W/Hz1/2。SBD THz 具有響應速度快、靈敏度高，室溫工作的特點，但寄生電容在高頻下工作時會對器件性能產生影響。

2015年，中國科學院上海技術物理研究所（Shanghai Institute of Technical Physics,SITP）黃志明研究員采用窄禁帶半導體成功實現了0.3～3.0 THz 的寬波段、高靈敏度、低噪聲等效功率和快速響應的太赫茲探測器件[86]，并證明了通過光子的波動性產生新型光電效應規律實現高靈敏度太赫茲探測的可行性，該項工作為太赫茲探測技術的突破提供了重要技術途徑，該探測器原理圖見圖11。

圖11 基于窄禁帶半導體的太赫茲探測器原理圖[86]Fig.11 Schematic diagram of a THz detector based on narrow bandgap semiconductors[86]

2017年，吳福偉等人研究了220 GHz 波段的太赫茲合成孔徑成像雷達，圖12為太赫茲SAR 成像雷達系統圖[87]，實驗結果顯示太赫茲SAR 成像雷達系統分辨率可以達到3cm。實驗表明太赫茲SAR 成像雷達系統比光電傳感器具有更強的穿透能力，其成像速度也優于傳統的微波雷達。

圖12 太赫茲SAR 成像雷達系統[87]Fig.12 THz SAR imaging radar system[87]

2017年，劉力源等人[88]研制了基于CMOS 工藝并結合了低噪聲信號處理技術的THz 成像系統，該系統使用了太赫茲天線、高電壓響應晶體管以及THz 匹配網絡。在室溫條件下，該系統具有較高的圖像分辨率與成像質量，且NEP＜1.06×10－10W/Hz1/2。

2019年，魯遠甫團隊提出并實現了一種基于空間傅里葉譜的新型太赫茲單像素成像技術[89]。通過使用空間光調制器（digital micromirror device,DMD）產生正弦條紋對入射到硅基石墨烯上的太赫茲光束進行調制，然后太赫茲單像素探測器獲取物體二維圖像的空間傅里葉譜，最后通過逆傅里葉變換重構出成像目標的二維圖像。實驗結果表明，該方法能夠極大地減少測量次數，在保證成像質量的前提下提高成像效率，測量次數僅需圖像像素數的11.8%就能重構出清晰的太赫茲圖像。圖13(a)為太赫茲單像素成像系統示意圖、(b)成像壓縮比及(c)樣品成像圖。

圖13 新型太赫茲單像素成像技術：(a) 系統示意圖；(b) 成像壓縮；(c) 樣品成像圖[89]Fig.13 Novel THz single-pixel imaging technology:(a) System schematic diagram;(b) Image compression ratio;(c)Sample image[89]

從THz-TDS 成像技術發展歷程可以看出，通過不斷地在太赫茲成像系統中使用新的技術，如太赫茲焦平面成像、近場成像、三維成像、改變半導體禁帶寬度以及像素模式等技術，不僅可以提高太赫茲成像系統的探測靈敏度和分辨率等性能，而且對太赫茲成像設備趨向小型化、實用化也有很大的促進作用。從發展趨勢也可以看到太赫茲成像技術在半導體等材料性能表征方面也會逐漸得到重視。

2 室溫微測輻射熱計太赫茲成像技術

許多太赫茲成像器件需要在室溫下工作，因此開展室溫下的太赫茲成像技術研發是十分必要的。通過使用熱敏微橋結構的太赫茲探測器不僅具有探測波段寬、陣列規模大、集成度高、實時成像等顯著特點，而且使系統更加趨于小型化、便攜式以及實用化[90]。

2005年，麻省理工學院首次采用非制冷紅外氧化釩焦平面探測器實現了連續波THz 透射成像。探測系統使用BAE Systems 公司160×120 非制冷紅外焦平面相機和2.52 THz 氣體激光器[91]。2011年，Coppinger使用商用的非制冷紅外探測器進行了成像實驗，該探測器雖然對10 μm 紅外輻射吸收約為90%，但對太赫茲輻射吸收不高，因此探測性能較差[92]。

2008年，日本電器公司（NEC）首次優化VOxTHz探測器探測單元的微橋結構，即在雙層微橋的頂層增加一層太赫茲吸收層對太赫茲輻射阻抗進行調制[93]。該系統結構圖見圖14。

圖14 雙層微橋結構太赫茲探測示意圖[93]Fig.14 Schematic diagram of double-layer microbridge structure for terahertz detection[93]

2009年，加拿大INO 公司設計了基于VOx熱敏材料的太赫茲成像所需要的光學鏡頭，并進行了成像實驗[94]。之后，INO 公司制備了160×120 陣列的抗反射涂層結構，實現了對5 mm 厚度的聚乙烯塑料遮擋金屬刀片的透射成像[95]。此外該公司又提出了采用黑金材料、金屬薄膜、蝶形天線等方式提高對太赫茲輻射的吸收[96]。2011年，INO 公司分析了不同探測單元尺寸對太赫茲探測成像效果影響，隨著探測單元尺寸的減小，成像分辨率不斷提高。INO 公司研制了312 μm 像素尺寸的微橋結構，測試發現微橋結構存在明顯的形變[97]。2012年，INO 公司又提出了折反式太赫茲探測成像鏡頭和微掃描的圖像處理方法，改善了太赫茲成像質量[98]。2013年，INO 公司推出了384×288陣列規模太赫茲相機，該相機在1.04 THz 處的NEP＝50 pW·Hz－1/2，可對信封內的刀片進行透射成像[94]。2012年，法國CEA-Leti 研制了單片多光譜探測器[99]，該系統由紅外探測器、發光二極管以及α-Si THz 微測輻射熱計組成，能夠進行可見光、紅外和太赫茲波段的成像，且該系統的NEP＜10－11W/Hz1/2。2018年，Marchese 報道了針對目標物鏡的優化設計，透鏡的F數由0.95 降低到0.60，聚焦長度為44 mm，使太赫茲透射圖像的質量得到明顯改善[100]。

由此可見太赫茲成像技術通過引入熱敏微橋結構，不僅使太赫茲系統成像質量得到明顯提高，而且使其具有室溫工作、實時成像、小型化和實用化等特點。

3 太赫茲成像技術的應用

隨著對太赫茲成像技術研究的不斷深入，各國越來越認識到了太赫茲成像技術的重要性。尤其是美國在太赫茲成像技術的領域取得了很大進步，之后一些歐洲國家在太赫茲領域也取得了許多重要研究成果。我國雖然在太赫茲研究領域起步較晚，但我國對太赫茲技術的發展給予了高度重視和大力支持，極大推動了我國太赫茲技術的快速發展。

太赫茲成像技術所表現出的優異特性可應用于國家安全、安全檢查、生物醫學、無損檢測、目標雷達成像、環境監測和天文研究等領域，具有十分重要的實用價值和學術價值。

3.1 安全檢查

太赫茲波具有強穿透性和低輻射特性，與X 射線相比安全性更高，它不會引起生物組織的有害電離反應，對生物產生的安全問題更小，極大彌補了X 射線檢測和其他檢測技術的缺陷[101]。這在旅客身體的安全檢查和生物樣品的檢查等方面至關重要。圖15為太赫茲成像技術在安全檢查方面的應用，圖15(a)為中國電科38 所研制太赫茲人體安檢儀系統成像，圖15(b)為諾·格公司研制的太赫茲安檢儀成像。

圖15 太赫茲成像技術在安全檢查方面的應用：(a) 為中國電科38 所研制太赫茲人體安檢儀系統成像；(b) 為諾·格公司研制的太赫茲安檢儀成像Fig.15 The application of THz imaging technology in security inspection:(a) Imaging for the THz human security detector system developed by China Electric Power 38 Institute;(b)Imaging for the THz security detector developed by Northrop Grumman

3.2 無損檢測

太赫茲波能夠穿透幾千毫米厚的泡沫等材質，探測到其中的缺陷，可以為航天飛機以及衛星的安全提供保障。圖16(c)為金屬缺陷處的太赫茲波圖像，(d)為泡沫板缺陷檢測結果，檢測結果來源于美國倫斯勒理工大學太赫茲研究中心[102]。

圖16 航天飛機缺陷處的太赫茲圖像Fig.16 THz image of space shuttle defect

3.3 生物醫學

太赫茲輻射不僅具有較低的電離輻射，而且很多生物大分子以及DNA 分子的旋轉及振動能級大多處于太赫茲波段內，生物組織對太赫茲波具有獨特的響應。因此太赫茲技術能夠對生物組織進行檢查，判斷生物組織是否發生病變，以便及時治療。

此外太赫茲成像具有很好的光譜分辨特性，可以快速確定受傷或者病變的組織，圖17為腫瘤組織的太赫茲圖像[103-104]。

圖17 體內和體外腫瘤組織的太赫茲圖像[103]Fig.17 THz images of tumor tissue in vivo and in vitro[103]

3.4 國家安全

由于太赫茲波具有很強的穿透能力，經過實驗證明，太赫茲輻射可以穿透木質、土質等非金屬墻體，從而獲得室內圖像。通過太赫茲成像技術從墻外掌握室內情況，對保障反恐人員安全與反恐任務的執行，起到了重要的作用。

3.5 環境監測和天文研究

太赫茲成像技術不僅可以對大氣中的一氧化碳（CO）、水（H2O）、氮氣（N2）、氧氣（O2）等氣體進行探測[105]，而且宇宙中大部分物質發出的電磁波處于太赫茲波段，因此太赫茲成像可以對宇宙中冷暗區域進行探測和成像，如研究黑洞的形成和對遙遠天體的觀測[106-109]，見圖18。

圖18 太赫茲成像技術在環境和天文領域的應用：環境監測(a)以及天文研究(b)[109]Fig.18 The application in enviroment and astronomy field:of terahertz imaging technology:in environmental monitoring(a)and astronomical research(b)[109]

4 太赫茲成像技術限制因素

雖然太赫茲成像技術在許多方面具有很大的優勢，但也存在一定的局限性，主要體現在以下幾個方面：

①由于水分子對太赫茲波吸收很強，因此對含水量較多的物體無法進行清晰成像，這就對太赫茲技術在醫學生物組織檢測等方面的應用帶來了一定的限制。空氣中所含的水氣也會極大影響了太赫茲技術的探測距離。

②太赫茲探測器對溫度比較敏感，外界溫度的變化會對探測結果產生影響。因此在進行成像實驗時盡量保持溫度恒定。

③由于太赫茲成像過程中存在耗時問題，時間過長會對樣品成像質量產生一定的影響。可通過使用大面積電光晶體（如，LiNbO3、GaSe、ZnTe）與CCD、CMOS 相機結合縮短成像時間。

④采用反射式太赫茲成像系統，應該確保太赫茲信號正入射到樣品的表面，否則經過透鏡反射的太赫茲波與樣品反射的太赫茲波會產生干涉，對成像結果造成影響。

⑤太赫茲信號在輸出功率和帶寬上存在輸出功率低、帶寬窄的問題。此外在研究太赫茲源時還應該考慮到穩定性、高效、環保等問題。

⑥當可疑物品被金屬遮擋時，太赫茲成像技術就無法發揮作用，這時可以結合其他探測技術，如金屬探測器等。

⑦室溫下具有微橋結構的太赫茲成像系統，無法進行被動成像，因此在成像時需要結合外部太赫茲輻射源；此外該系統在高頻太赫茲波段探測性能較好，但在低頻段響應偏低。

由于我國的太赫茲成像技術起步較晚，在關鍵技術方面還不太成熟，在太赫茲輻射、太赫茲傳輸、太赫茲調制方式、太赫茲探測等方面都需要進一步提高、完善。

5 總結與展望

本文綜述了太赫茲成像技術的主要研究進展，介紹了太赫茲成像技術的典型應用，可以看出太赫茲成像技術應用范圍日益廣泛，得到越來越多國家的重視。太赫茲成像系統必須滿足高分辨率、實時性好、便攜性以及靈敏度高等性能的要求。

對于目前可以有效改進太赫茲成像性能的技術手段，我們認為可以從以下幾點考慮：

①通過使用高性能材料（如石墨烯、硅烯、黑磷等），利用新材料的優異性能不斷研發新的器件。

②通過使用超表面結構增加對太赫茲輻射的耦合吸收。

③通過消除背景噪聲與干涉效應，提高太赫茲成像系統獲取信息的能力，例如可以發展單像素成像、CS 理論以及優化光學系統等技術。

④通過引入太赫茲天線，將THz 能量耦合到探測器的探測單元上，提高對太赫茲輻射的收集能力。

⑤相比傳統的太赫茲成像器件，微橋結構的太赫茲焦平面探測陣列器件具有探測波段寬、陣列規模大、集成度高、實時成像、小型化、便攜式以及實用化等優勢。

我國太赫茲成像技術起步較晚，有許多關鍵技術還需要攻克，所以需要科學研究機構和產業集團加強合作，研制出擁有自主產權的太赫茲成像技術，使太赫茲成像技術在我國形成產業化，更好地為我國的國防和民生建設服務。