曹丙花， 李素珍*， 蔡恩澤， 范孟豹， 淦方鑫

1. 中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院， 江蘇 徐州 221116 2. 中國礦業(yè)大學機電工程學院， 江蘇 徐州 221116

引 言

太赫茲波是指頻率在0.1～10太赫茲(Terahertz, THz)范圍內， 介于毫米波和紅外光之間的一段電磁波。 由于波段位置的特殊性， THz輻射兼具微波電子學和紅外光子學的特征， 屬于交叉研究范疇。 在THz領域中， THz成像技術作為THz研究中頗具前景的一個方向， 得益于該輻射波段的獨特性質： 光子能量低于各種化學鍵能， 對物質電離作用??； 極易透過非極性和非金屬材料， 包括陶瓷、 塑料等常見卻無法被紅外光透射的材料； 頻段處在許多生物大分子振動和轉動能級， 可根據(jù)THz波的強吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質成分； 水敏感性高， 非常適合物質含水量分析等。 除了可獲得比其他光源更多的信息外， THz成像技術在性能上也十分優(yōu)越。 THz波段的高頻特性對應更小的光學衍射現(xiàn)象， 能夠達到比微波成像更高的空間分辨率。 而相比需要借助耦合劑接觸樣品的超聲成像， THz成像屬于非接觸無損檢測， 適用范圍更廣。 近些年來隨著THz光源和探測技術的發(fā)展， THz成像的應用領域越來越廣泛， 并在藥品食品監(jiān)測、 生物醫(yī)學成像、 貨品安全檢查、 器件非接觸無損檢測、 藝術品研究等領域取得了不錯的成果。

自1995年貝爾實驗室開發(fā)出首套THz透射掃描成像裝置并進行首次THz成像之后， 新材料和新技術不斷促進著THz成像技術的快速發(fā)展。 目前， 研究人員已經實現(xiàn)了對物品含水量、 違禁刀具、 電路亞波長損傷、 半導體器件以及生物組織等樣本的THz像探測。 根據(jù)輻射光源的種類， THz成像技術可分成連續(xù)波(continuous wave， CW)和脈沖兩種類型。 雖然THz-CW系統(tǒng)的光源功率較大， 但因其帶寬較窄， 大部分情況下系統(tǒng)僅記錄THz信號的強度信息。 基于上述特性， THz-CW系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度較快， 能夠支持實時成像。 相比連續(xù)波系統(tǒng)， 脈沖THz系統(tǒng)可以發(fā)射高達幾THz的寬帶光束， 雖然其波束普遍功率偏低， 但它攜帶了時域THz波形的所有信息(包括強度和相位)。 這些信息經傅里葉等變換處理之后可得出折射率、 消光系數(shù)、 吸收率等光學參數(shù)。 因此， 基于脈沖THz成像系統(tǒng)可獲得更多信息的特性， 除部分焦平面陣列探測成像外， 大多數(shù)成像系統(tǒng)都屬于這種類型。

本文主要講述了THz成像技術發(fā)展道路上經歷的幾個階段， 如圖1所示， 包括THz時域光譜成像、 焦平面陣列探測成像、 壓縮感知成像、 近場成像及其分類下的一些常見成像系統(tǒng)。 每部分著重介紹了系統(tǒng)的特點原理和技術創(chuàng)新， 并在最后對THz成像技術未來的發(fā)展趨勢進行展望。

圖1 文章架構

1 THz成像系統(tǒng)和設備

在過去近二十年的時間里， 電子學與光子學等新技術的發(fā)展促進了太赫茲成像技術的快速發(fā)展。 太赫茲時域光譜(Terahertz-time domain spectrum， THz-TDS)系統(tǒng)作為最早實現(xiàn)THz輻射測量的系統(tǒng)， 已經成為一種產生和探測單周期THz信號的通用技術。 在此基礎上， 人們出于對更快的成像速度以及更高的成像分辨率的追求和權衡， 開發(fā)出以下幾種經典的THz成像系統(tǒng)， 這里主要按照探測方式的發(fā)展進行介紹。

1.1 最早的單像素成像方式： THz-TDS成像系統(tǒng)

THz時域光譜成像系統(tǒng)是在THz-TDS的基礎上增加了光柵掃描裝置， 實現(xiàn)了光譜和成像功能的結合。 圖2展示的是反射式THz時域光譜成像系統(tǒng)[1]。 飛秒脈沖激光器產生的激光被分成兩束， 一束通過光電導天線(photoconductive antenna, PCA)產生THz脈沖， 另一路通過增加光程做相位延遲處理。 THz脈沖產生后經拋物面鏡(paraboloidal mirror， PM)引導聚焦到樣品表面的某一像素點， 然后被反射到探測器上。 延遲的泵浦脈沖同樣被引導到探測器， 并對攜帶樣本信息的THz脈沖做采樣處理。 系統(tǒng)最終測量的是探測器光電傳感模塊產生的平均光電流或平均光電壓。

圖2 經典反射式THz時域光譜成像實驗裝置[1]

圖3展示的光電流是關于時間延遲的函數(shù)， 反映了和樣品相互作用后THz脈沖的衰減、 延遲或變寬等現(xiàn)象。 可以提取上述THz時域波形的某一信號特征如最大飛行時間、 峰值等， 設定像素對應灰度后獲取二維圖像。 這種經典THz-TDS方法的優(yōu)點是獲取的THz信息較全(包括幅度和相位信息)， 缺點是需要進行冗長的二維光柵掃描， 無法滿足大尺寸樣品的實時成像要求。 目前一個實際應用是在制藥工業(yè)中， 通過監(jiān)測藥片的包衣厚度控制固體制劑的生產質量， 原理如式(1)所示。 也可以用于評估藥片的硬度、 密度和孔隙率， 以及汽車外殼涂料的厚度均勻性。

(1)

其中， Δt為藥片包衣表面和內部藥劑面反射的THz波時間間隔，c是真空中的光速，n是包衣材料的折射率。

圖3 單像素測量THz時域波形[2]

經典的THz輻射生成和探測的方法有自由空間電光采樣和光電導天線兩種， 這里使用的是光電導天線(PCA)方式。 通常， PCA由光電半導體材料表面沉積金屬電極制作而成， 常用的半導體材料有高阻率砷化鎵(GaAs)、 磷化銦(InP)等。 為了產生THz波， PCA兩電極空隙被外加電壓偏置并用飛秒激光脈沖泵浦。 在亞皮秒時間尺度上， 半導體內部大量電子-空穴對被加速激發(fā)(外加偏置電場和自建電場起加速作用)， 光電導材料表面出現(xiàn)快速增大和減小的時變光電流， THz電磁場由此產生。 目前大多數(shù)的THz-TDS系統(tǒng)的平均THz功率較低。 為了改善信噪比， 通常用交流電壓偏置PCA后再鎖定放大。

最近， 有實驗證明使用等離子體等納米結構接觸電極光柵可以有效減少光生載流子的平均傳送路徑長度， 使大面積PCA具備更高的光—太赫茲轉換效率和太赫茲功率(在240 mW的泵浦功率下， 平均THz功率高達3.8 mW)。 另外， THz無源成像系統(tǒng)作為一個理論研究的突破點， 其在物體自發(fā)THz輻射和均勻黑體(如天空)THz輻射兩個方向上的科學研究也值得關注。

THz輻射的光電導采樣是光電導激發(fā)的逆過程， 不同的是PCA不再外加偏置電壓， 飛秒激光脈沖泵浦出的載流子由入射THz光束加速。 泵浦脈沖和入射THz輻射之間的時間延遲關系可調(可用時間延遲線實現(xiàn))。 產生的時變電流幅度和THz電場幅度存在正比例關系， 利用該特性可以實現(xiàn)對THz時域輻射信號波形的表征。 目前， 有關單像素探測器原理的研究已經趨向成熟， 其發(fā)展主要依托新材料和新結構的引進。 例如， 中國科學院上海技術物理研究所利用石墨烯材料集成天線接觸電極與劈裂柵控結構提出了石墨烯本身熱電子操控機理， 從而實現(xiàn)室溫下太赫茲波段的高靈敏探測。 該器件具有可調靈敏度、 較高的轉化效率和光電導增益， 響應率可達0.6～6.0 kV·W-1。

1.2 支持實時成像的方式： THz面陣成像

THz面陣成像是為了解決光柵掃描等單像素探測周期長的缺點， 獲取更快的圖像探測速度而提出的技術替代方案。 由于焦平面陣列探測器可以實現(xiàn)物體的一次成像， 這類系統(tǒng)又被稱為“面陣相機”。 目前較為成熟的有電荷耦合器件(charge-coupled device， CCD)相機、 微測熱輻射計(Microbolometer)相機以及互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor， CMOS)相機三種類型。

早期的CCD相機一般不能直接用于THz波段， 它需要將THz圖像調制成紅外波段的圖像后再進行實時探測。 1996年， Zhang課題組最早描述了焦平面陣列探測THz波段的創(chuàng)新嘗試。 如圖4所示， 該方法利用透鏡器件將穿過樣本的THz波聚焦到大面積電光晶體上， 并將探測光束擴展到充滿整個非線性晶體。 和傳統(tǒng)的自由空間電光采樣相同， THz光束在晶體中引起瞬態(tài)雙折射， 影響了探測光束(一般是飛秒脈沖)的偏振態(tài)。 由于探測光束在空間上完全覆蓋THz波束， 因此可以將THz圖像編碼到探測脈沖波前的空間變化偏振態(tài)上。 然后， 利用泡克爾斯(Pockels)效應將探測脈沖反映的圖像信息轉換到光頻范圍， 最后由CCD相機接收， 形成直觀形象的THz圖像。 其中， CCD相機和THz光沒有直接的關系。 并且， 由于一次成像探測時間較短， 成像速率主要受CCD相機的響應速率制約。 類似的例子還有2008年Zaks等通過上轉換方式， 利用CCD相機探測近紅外輻射， 以此間接獲得THz輻射的分布圖像； 2013年Trichopoulos等利用天線單片和快速異質結集成作為太赫茲波探測單元后獲得了5幀·s-1探測速率； 2011年日本NEC公司將研制出的基于VOx的THz焦平面探測器應用于手持式THz相機， 實現(xiàn)了4 m成像距離下的人體實時被動成像的例子。 特別地， 當CCD相機的探測速率達到視頻速率時， 可利用這種成像技術對運動物體或活體進行實時成像， 這是目前THz面陣成像最吸引人的應用方向之一。 隨著THz探測等技術的發(fā)展， 以Teracam公司為代表的、 采集速度可達到50 Hz的THz相機已經實現(xiàn)工業(yè)化生產。

圖4 二維實時太赫茲活體昆蟲成像[3]

Microbolometer最初作為一種紅外探測器件， 主要通過改變像素點阻抗的方式獲取該處的光波強度。 Microbolometer接收的是7.5～14 μm波長范圍的輻射， 并因其不需要外部冷卻的特點應用廣泛。 2005年， 在成像含有刀片的信封時(輻射源為2.52 THz的氣體激光器)， Microbolometer相機被發(fā)現(xiàn)在THz波段仍具有較高的靈敏度， 實驗達到的幀率為60幀·s-1， 每幀的信噪比為13 dB。 自此， 研究人員開展了以Microbolometer相機為探測器的THz成像實驗。 其中， Oulachgar等為了獲得更高的探測靈敏度， 創(chuàng)造性地在Microbolometer的前端放置了超材料吸收器， 并在0.29～2.4 THz的頻率范圍內對手槍、 包含刀片的皮夾等物品進行成像。 事實上， 雖然Microbolometer等焦平面探測器已經具備較為成熟的研究成果， 但因其制作工藝復雜昂貴， 當下僅有NEC等幾家公司具備非制冷焦平面探測器的批量生產能力， 其在THz波段的成像應用也僅停留在實驗室演示階段。 目前Microbolometer主要致力于以VOx與多晶硅為材料且在室溫工作的高靈敏探測器的開發(fā)。 由于集成電路設計和制作工藝的發(fā)展， CMOS相機作為一種圖像傳感器逐漸發(fā)展起來。 2012年， Grzyb等初步制作出一個工作在0.7～1.1 THz范圍內的CMOS型THz相機。 該相機為32×32像素， 像素間距80 μm， 可實現(xiàn)的最高探測靈敏度為2.5 μW·pixel-1。 2014年， Yan以單元大小為0.9×0.4 mm2的5×5 CMOS陣列為探測器搭建了THz透射式成像系統(tǒng)， 并在斬波情況下對樹葉進行成像， 實驗最后獲得的圖像分辨率為4 mm。 為了省去外部冷卻環(huán)節(jié)， 2016年Escorcia等使用PN結探測器和超材料吸收體制作了室溫工作的CMOS型THz相機。 其中， PN結和超材料吸收器均采用180 nm CMOS工藝制作而成， 如圖5(a)所示, 探測器的最小等效噪聲為10.4 nW·Hz-1/2， 圖6中是字母“T”透射和反射式成像結果。

圖5 (a)連接一系列單像素的二極管分布及所制造的THz探測器頂端陣列布局； (b)二極管像素的透視圖[4]

圖6 字母“T”透射式和反射式成像[4]

焦平面陣列探測成像雖然實現(xiàn)了實時成像， 但是它目前仍存在單次成像面積有限、 價格昂貴等問題。 此外， 由于實時面陣成像對功率有極高的要求， 一般無法使用普通的固體激光器當作照明光源。 因此， 早期一般使用二氧化碳等氣體激光器充作THz源。 但是， 由于氣體激光器不僅體積龐大而且價格高昂， 該項技術一直停留在實驗室階段。 為了實現(xiàn)面陣成像技術的商用， 多年來研究人員一直致力于尋找相關的替代光源。 直到2002年， 量子級聯(lián)激光器(QCL)的發(fā)明為推廣技術的研究帶來了轉機。 美國MIT的Lee等驗證了當THz-QCL的連續(xù)波輸出功率足夠高時， 可以使用紅外陣列探測器進行成像檢測。 實驗在距離QCL20多米外對人類拇指指紋和信封內的鉛筆字跡進行了實時成像演示， 有力地推動了THz實時成像技術的研究和應用。

1.3 實現(xiàn)亞波長分辨率的方式： 近場成像

為了突破波長相關的衍射極限， 實現(xiàn)亞微米甚至納米級分辨率， 研究人員提出了近場成像方案。 有關近場成像的設想最早可以追溯到1928年Synge的10 nm透光孔成像實驗。 該實驗引導入射光透過孔徑為10 nm的透光孔， 然后將物體放置在孔后10 nm處。 當設置10 nm掃描步長收集光信號時， 實驗獲得了極高的空間分辨率。 20世紀80年代以來, 隨著近場光學和掃描探針顯微技術的發(fā)展， 近場成像技術在微波、 紅外、 可見光等波段收獲了許多成果。 通過借鑒這些波段成熟的原理方法， 研究人員提出了THz波段的近場成像技術， 主要用于實現(xiàn)物體表面和亞表面的無損掃描。

當物體處在THz近場范圍內， 也就是物體距離THz輻射一波長或亞波長尺度時， 會產生傳播場和隱失場兩種電場。 傳播場記錄能流的傳播， 隱失場記錄物體的亞波長信息。 因此， THz近場成像獲得亞波長分辨率的關鍵在于對隱失波的捕獲。 和振幅與傳播距離成反比的傳播場不同， 隱失波的振幅隨距離的增加呈指數(shù)級衰減。 這要求近場成像在未借助轉換器件時， 需要在距離成像物體極近的區(qū)域即近場內檢測隱失場。 目前最受矚目的THz近場成像技術有基于孔徑和基于尖端散射的THz近場成像技術兩種。

亞波長孔徑是孔徑型THz近場成像技術的關鍵器件， 對隱失波起獲取和耦合轉化作用。 根據(jù)孔徑所處位置的不同， 該技術可以分為近場孔徑照明、 近場孔徑收集兩種模式。 近場孔徑照明是最早用于THz近場成像的方式。 如圖7所示， 實驗時物體被放置在亞波長孔徑的近場中， THz波受孔徑局域后對物體進行近場照射。 該模式的技術難題在于實現(xiàn)THz波的有效增透和有效局域， 通常研究人員用仔細設計亞波長孔徑的思路解決上述問題。 例如， 設計能夠引導光通過孔徑的等離子體結構修飾帶孔金屬面板， 有效改善穿孔輻射的耦合； 使用固體浸沒透鏡方法設計亞波長介質探針， 提高光強； 以及雙金屬耦合探針、 頂端削平的金字塔型探針、 平行平板波導等多種不同物理結構的亞波長孔徑器件。 特別地， 結合透鏡使用光學泵浦半導體晶片可以控制光生載流子的移動， 產生動態(tài)的移動孔徑。 動態(tài)孔徑的厚度受半導體對泵浦光的吸收深度影響， 通常只有幾微米。 該方法的優(yōu)點之一是能夠規(guī)避因波導效應引起的物理孔徑探測帶寬減小問題； 局限在于信號大小仍受孔徑尺寸的限制， 并且半導體材料引入了較大的噪聲干擾。

圖7 THz近場成像照明模式[5]和收集模式[6]系統(tǒng)示意圖

和近場孔徑照明不同， 近場孔徑收集模式采取的是將探測器集成到亞波長孔徑的近場區(qū)域內或者遠場探測經近場微孔轉化后的太赫茲波的方式。 例如， 參考文獻[6]就是典型的近場收集模式， 如圖7所示， PCA探測器被放置在矩形孔徑的亞波長距離處， 用以探測指數(shù)衰減的隱失THz場。 這種布置下的空間分辨率由孔徑尺寸確定。 隨后人們在研究圓孔衍射時發(fā)現(xiàn)透射電場幅度隨孔徑尺寸的三次方減小， 這意味著深亞波長孔徑下的光通量非常小。 為了增強亞波長孔徑的透射， 研究人員將同心周期性凹槽刻在孔徑周圍的金屬基底上[7]。 如圖8所示， 這種靶心結構促使入射THz輻射激發(fā)表面波， 亞波長孔徑中的電場幅度因此增加了20倍。 后續(xù)的優(yōu)化使用蝴蝶結孔徑[8]代替之前的圓形孔徑， 從而使透射率增加3倍、 分辨率達到12 μm(λ/17在1.45 THz)。 最近， 研究人員還實現(xiàn)了將THz光電導天線和近場探針集成到單個芯片的技術。 但該技術存在孔徑探頭距離PCA太近導致GaAs半導體有源層厚度過小的固有問題。 作為天線的關鍵使能器件， 有源層厚度過小意味著泵浦光束在PCA的GaAs層內產生很少的電荷載流子， 從而造成THz檢測的靈敏度降低。 為此， 作者在半導體層和亞波長孔徑之間引入分布式布拉格反射器[9]， 如圖9所示。 事實證明， 該反射器不僅增強了天線間隙處的泵浦光束光場， 還為樣本和泵浦光束提供了成像光敏材料時必須具備的光學隔離。 為了進一步提高天線的靈敏度， 參考文獻[10]在天線的有源層附近增加了金納米天線陣列。 此外， 還有一種直接使物體和亞波長檢測器接觸的近場成像方式。 該方式將THz-TDS系統(tǒng)和電光采樣EOS探測器結合起來使用， 通過物體和探測器晶體部分直接接觸實現(xiàn)對近場區(qū)域內THz電場的測量， 該技術又被稱為“直接接觸EOS技術”。 由于可以支持在可見/紅外頻率范圍內工作的相機， 直接接觸EOS技術是未來實現(xiàn)實時近場THz成像的重要可選途徑之一。 目前， 近場孔徑收集模式面臨的技術難題在于進一步解決近場距離控制、 THz波的高效耦合和轉化等問題。

圖8 靶心結構的圓形亞波長孔徑[7]以及優(yōu)化后的蝴蝶孔徑[8]

圖9 上部代表在單個芯片中由分布式布拉格反射器隔開的集成亞波長孔徑/THz-PCA[9]； 下部分是光子結構的示意性橫截面圖及其工作原理和使用等離子體納米陣列增強的集成芯片示意圖[10]

第二種THz近場成像系統(tǒng)， THz輻射聚焦在亞波長金屬尖端上， 該尖端像孔徑一樣在極小的區(qū)域內強烈地局域THz輻射。 尖端在接近物體時， 能夠將近場中和樣本相互作用的隱失波耦合轉化成傳播波后散射在遠場中。 由于飛秒激光泵浦半導體材料時產生的電偶極矩與尖端耦合后會對其正下方的局域電場產生調制影響， 對該受調制部分進行鎖相檢測能夠有效濾除半導體表面產生的背景噪聲， 因此遠場探測時通常要求尖端以固有頻率進行機械調制并使用鎖相放大器進行THz檢測。 和孔徑型成像的分辨率由孔徑尺寸決定的原理相似， 散射型成像的空間分辨率同樣不受瑞利極限的限制， 而是由尖端尺寸決定。

THz尖端散射近場顯微鏡最突出的兩個實例是激光太赫茲發(fā)射顯微鏡(laser Terahertz emission microscope， LTEM)和掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope， STM)。 特別是LTEM不是其他光學頻段或電子學技術的改進而是一種THz系列特有的亞波長近場成像方法。 該技術使用飛秒激光脈沖照射樣本， 并搭配常規(guī)光學器件將光束聚焦到衍射極限。 材料中的電荷載流子被加速后發(fā)射THz脈沖， 探測信號可以使用常見光電技術在遠場進行。 在對樣本實施光柵掃描后， THz波可以生成包含物體THz響應的圖像。 LTEM的空間分辨率由飛秒脈沖光點尺寸決定， 和THz波長無關。 特別地， 研究人員最近提出了能夠實現(xiàn)納米級成像的LTEM。 如圖10所示， 該測量系統(tǒng)[11]將飛秒激光脈沖耦合到商用原子力顯微鏡(AFM)金屬探針上， 然后從半導體襯底引發(fā)THz輻射。 由于AFM探針的部分橫向尺寸只有幾十納米， 從而使得成像分辨率(約等于尖端尺寸)也由原來的幾十微米提升到納米量級。 該實驗最終對單個金納米棒進行了THz成像， 實現(xiàn)了20 nm的尖端限制空間分辨率。 隨著LTEM技術的不斷發(fā)展， 其應用也從最初的電路電氣故障檢測推廣到超電流分布的定量評估、 自發(fā)極化域成像、 太陽能電池評估、 分子吸附動力學等多個領域中。 掃描隧道顯微鏡是一種基于量子理論隧道效應的探測儀器， 主要用于實現(xiàn)物質表面結構的探測。 相比于同樣可以觀察和定位單個原子的原子力顯微鏡， STM具有更高的分辨率。 通常， STM的工作模式分為恒電流和恒高度兩種。 恒電流模式通過一套電子反饋線路控制隧道電流保持恒定， 并使用計算機控制探針掃描樣本。 由于探針與樣本的局域高度也保持不變， 針尖將隨著樣本表面的高低起伏作同樣的起伏運動， 以此完成對樣本表面三維立體信息的采集。 和恒電流模式不同， 恒高度模式是通過測量探針與樣品表面的隧道電流大小完成表面形貌探測的， 一般用于觀察和定位單個原子， 測量過程中針尖的絕對高度保持不變。 有研究人員[12]在不改變STM設計的前提下將THz-TDS系統(tǒng)與STM系統(tǒng)耦合， 在原有納米級空間分辨率的基礎上實現(xiàn)了亞皮秒的時間分辨率。 系統(tǒng)原理如圖11所示， 超快THz脈沖聚焦在STM探針尖端上， 產生亞皮秒瞬變電壓， 驅動探針上的電子在物體表面的隧道結處產生隧道電流。 測量電流的空間分辨率由尖端頂點大小決定， 這里為2 nm。 此外， 該實驗還分別測量了InAs納米點樣品(生長在GaAs上)的STM和THz-STM圖像， 如圖12所示， 證明了THz-STM在測量超快載流子動力學方面具有極大的潛力。 最近， 加拿大的Frank A. Hegmann教授研究組在商用超高真空STM的基礎上自主研發(fā)了THz-STM， 以0.3 nm的空間分辨率實現(xiàn)硅表面單個原子的成像， 再一次驗證太赫茲輔助STM將時間分辨光譜和成像帶入單個原子或分子水平的獨特可能性。 同時， 該技術還直接影響了新型硅納米電子學和在THz頻率工作的原子級器件的研究開發(fā)等方面的進展。

圖10 納米級LTEM實驗裝置和系統(tǒng)原理圖[11]

圖11 THz-STM系統(tǒng)原理圖[12]

圖12 STM圖像、 THz-STM圖像和光學激發(fā)前后的示意圖[12]

1.4 亞采樣率成像方式： 壓縮感知成像

壓縮感知(compressed sensing， CS)這一概念最早由Candes， Donoho和Tao正式提出。 它的基本思想是通過自然界信號固有的稀疏特性， 用遠低于香農采樣定律要求的采樣點數(shù)較為完整地恢復原信號， 從而降低設備采樣和數(shù)據(jù)存儲的壓力。 經過十多年的推廣應用， 壓縮感知已經建立了基本完整的理論體系， 并在信號處理、 物體成像方面取得了不錯的成績。 萊斯大學同年研制出的基于可見光波段的單像素相機[13]第一次驗證了CS理論應用于實際成像的可能性。 他們設計相機使用電控的數(shù)字微鏡設備(digital micro-mirror device, DMD)對可見光進行快速調制。 DMD設備包括1 024×768個微鏡單元， 由計算機控制實現(xiàn)+12°和-12°兩種狀態(tài)的切換。 如圖13所示， 當成像物體投影到DMD上時， 計算機隨機生成二值矩陣控制微鏡陣列切換角度， 完成可見光的調制經DMD反射后的光輻射由透鏡匯聚到光電二極管， 得到的電壓值經A/D轉換后傳遞到探測器。 他們對像素為64×64的大寫字母“R”進行成像測試， 采樣1 600次和2 700次的圖像重建結果如圖14所示。 雖然DMD設備能夠實現(xiàn)20 kHz的高速調制速度， 但是其鏡片單元只適應極短的光學波長， 很難完成THz波段的光束調制。 為此， 萊斯大學在2008年提出THz波段的壓縮感知成像方案[14]。 他們在透明的PCB板上選擇性覆上銅帶， 以此制成一組600張掩模板代替DMD設備， 成像過程中機械移動平臺快速切換掩模板。 實驗對同樣印在PCB板上、 像素為32×32的漢字“光”進行成像， 系統(tǒng)結構和圖像重建結果如圖15所示。 事實上， 基于CS理論的成像方式很適合THz波段的輻射， 尤其是目前THz系列的單像素探測器比焦平面探測器更加常見。 為了解決上述機械平臺切換掩模板時速度慢、 影響光路準直等問題， 研究人員提出一種圓盤式掩模裝置[15]。 如圖16所示， 這種旋轉盤裝置允許使用電機旋轉盤， 因此實驗能夠自動且連續(xù)地進行。 后續(xù)的研究在細節(jié)上對該圓盤掩模板做了調整。 首先， 掩模板的材質由帶基底的PCB板換成了不銹鋼板[16]， 有效抑制了掩模板對THz波的不均勻吸收。 其次， 當掩模板的像素尺寸和THz波長接近時， 衍射和散射效應明顯而無法忽略不計。 因此， 將透光孔的直徑由原先的1 mm調整為2 mm， 形狀也由方形改成圓形， 消除了拐角處的THZ散射， 近一步增強成像質量。 如圖15所示， 藍色的矩形窗口是有效成像窗口， 邊長為30 mm。 圓盤每旋轉0.25°切換一個掩模圖案。 整個裝置最高可提供1 440幅掩模圖案。 2012年， Busch等設計出一種光控型掩模裝置， 并分析了全光控太赫茲成像的可能性。 一年后， David等實現(xiàn)了全光調制的THz波CS成像[17]。 該實驗將波長為980 nm的激光10倍擴束后覆蓋DMD， 如圖17所示， 并將DMD調制后的激光圖案投影到P型硅片， 使硅片不同的點對應出現(xiàn)不同的透射率。 這里利用的是高阻硅的光敏特性： 當特定波長的光束照射到硅表面時會改變此處的載流子濃度， 該處的輻射透過率也會隨之改變。 同時， 另一條光路用THz波照射樣本， 并將樣本反射的波束引導到硅片。 由于硅片的空間調制作用， 只有部分攜帶物體信息的THz輻射透過硅片， 并被THz波探測器捕捉。 在包括硅片響應圖案切換等時間延遲后， 系統(tǒng)最終的調制速度約為31 Hz。 由于載流子壽命約為25 μs， 則理論上全光調制方案中的切換掩模矩陣速度可達10 kHz。 又因為DMD能夠實現(xiàn)20 kHz以上的調制速度， 那么在優(yōu)化控制系統(tǒng)之后有望實現(xiàn)10 kHz的調制速度。 綜上所述， 全光調制的CS成像方案在實時成像方面具有極大的潛力。 同時， 這種計算成像的方式對空間光調制器(spatial light modulator， SLM)的調制深度和速度提出了更高的要求。 2009年， Chan等第一次嘗試使用超材料制作SLM器件， 他們提出的4×4的電控的調制陣列在0.36 THz處取得了35%～50%的調制深度。 隨后， Watts等在2014年首次將超材料SLM應用到THz壓縮感知成像中[18]。 并且， 該實驗利用超材料相位調制的特性， 在以往0和1二值掩模矩陣中引入-1數(shù)值的調制效果， 如圖18所示， 進一步增強了調制深度。 其中圖18(b)是在不同調制矩陣下的成像結果， 單次掩模調制的時間為22.4 ms， 重建8×8像素圖像需要1.43 s。 目前， 有關SLM的研究集中在超材料和新結構方面。 與此同時， 壓縮感知中信號稀疏、 測量矩陣構建以及信號重構三個部分的相關算法也在不斷改進中。 最常使用的信號稀疏變換有離散余弦變換(DCT)、 小波變換(WT)和哈達瑪變換(Hadamard)三種。 離散余弦變換由于具有將信號能量集中在低頻區(qū)域的特點被廣泛應用于聲音和圖形的壓縮應用； 小波變換可實現(xiàn)高頻處的時間細分以及低頻處的頻率細分， 一般更多用于信號分析領域； 哈達瑪變換產生的對稱正交矩陣減輕了存儲空間和計算量的負擔， 對圖像的壓縮應用效果顯著。 與此同時， 測量矩陣通常要求和信號稀疏的基底矩陣滿足不相關性。 其中， 高斯矩陣由于和大多數(shù)稀疏矩陣都不相關， 因而常被選作測量矩陣。 常用的信號重構算法大致分為三種： 匹配追蹤算法、 L1最小化算法和最小全變分法(TVAL3)。 其中， TVAL3算法源自于求解極值的變分正則化模型， 支持多種測量矩陣和約束條件。 變分正則化模型作為函數(shù)中一種求解極值的有效方法， 在引入增強型拉格朗日函數(shù)和交替變換求解方式后， 使得TVAL3算法的速度和靈活度顯著提高。 有研究學者[19]在原先TVAL3算法的模型基礎上增加了相位平滑約束條件， 使得重構的相位圖像更接近原信號， 并在不同厚度的區(qū)域交界處更平滑。

圖13 萊斯大學單像素相機組成結構示意圖[13]

圖14 成像物體大寫字母“R”及其在1 600次和2 700次采樣下的恢復圖像[13]

圖15 THz壓縮感知成像系統(tǒng)、 成像物體“光”及其在300次和600次采樣下的恢復圖像[14]

圖16 允許電機連續(xù)切換的旋轉盤掩模裝置[15]和改進后的旋轉盤結構圖像[16]

圖17 全光調制的THz波CS成像光路圖[17]

圖18 基于超材料的THz波壓縮感知成像示意圖(a)和成像結果對比圖(b)[18]

2 總結與展望

本文介紹了THz-TDS成像、 THz面陣成像、 近場成像和壓縮感知成像這四種THz波成像類型， 并在每個部分分別介紹了該成像方式對應的原理和發(fā)展歷程。 實際上， 這四種成像方式各自具備獨特的優(yōu)缺點， 它們相輔相成共同推動著THz成像的發(fā)展。 當下由于材料和科技的進步， 涌現(xiàn)出了更多性能優(yōu)良的太赫茲輻射源和探測器。 相信在未來的發(fā)展中， THz成像這一技術會迎來更多突破性成果。