茍楊九州，彭曉昱

(1.中國(guó)科學(xué)院 重慶綠色智能技術(shù)研究院，太赫茲技術(shù)研究中心，重慶 400714；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 重慶學(xué)院，重慶 400714)

0 引 言

太赫茲(terahertz, THz)波的頻率范圍是0.1～10 THz，介于紅外與微波波段之間。太赫茲波處于電子學(xué)和光子學(xué)的交叉研究區(qū)域，其長(zhǎng)波段是傳統(tǒng)電子學(xué)的研究領(lǐng)域，其短波段則是光子學(xué)的研究范圍。雖然太赫茲波的交叉學(xué)科特性增加了其研究難度，但跟其他電磁波相比，太赫茲波因具有一些獨(dú)特的物理性質(zhì)而在諸多領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)得益于太赫茲輻射源的發(fā)展，太赫茲技術(shù)在保密通信[1]、國(guó)防安全[2]、生物醫(yī)學(xué)[3]等許多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。

太赫茲波不同于毫米波或者X射線，它具有獨(dú)特的成像能力和應(yīng)用場(chǎng)景。太赫茲波不能穿透金屬，但對(duì)于許多非金屬和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性。因此可以利用太赫茲波“透視”衣服、鞋子、箱包等物體，以便于探測(cè)其中潛在的金屬刀具或槍支等危險(xiǎn)物品。對(duì)于不同的非金屬材料，由于其對(duì)太赫茲波的吸收率不同，可以將不同材料區(qū)分出來(lái)。因此，與X射線成像相比，對(duì)非金屬材料的太赫茲成像有更高的對(duì)比度。相比于毫米波，THz波的波長(zhǎng)更短，這使得太赫茲成像能夠獲得更高的空間分辨率。尤其重要的是，X射線成像會(huì)產(chǎn)生電離損傷，太赫茲波因光子能量低，不會(huì)對(duì)操作人員或生物樣品造成電離傷害[4-7]，特別適合用于對(duì)人體或生物樣品進(jìn)行成像。此外，各種化學(xué)藥品、毒品、炸藥等在太赫茲波段都有自己的特征吸收譜(類似于指紋)，這種光譜分辨特性使得太赫茲波不僅能夠辨別物體形狀，而且可以識(shí)別目標(biāo)物體的化學(xué)組分。這一特性非常適合用于反恐安全領(lǐng)域，如在公共安檢中識(shí)別炸藥、毒品、違禁藥品等，這是毫米波和X射線所不具備的能力。

由于太赫茲波的獨(dú)特性能，太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，展示了廣泛的應(yīng)用前景。本文先介紹早期的機(jī)械掃描式太赫茲成像技術(shù)，再詳細(xì)介紹為了加快成像速度所提出的各種方案。

1 機(jī)械點(diǎn)掃描太赫茲成像技術(shù)

由于太赫茲時(shí)域信號(hào)脈寬在皮秒級(jí)，普通的探測(cè)器很難獲取太赫茲信號(hào)，因此需要使用等效時(shí)間采樣。由于缺乏足夠強(qiáng)度的緊湊型太赫茲輻射源，早期的太赫茲成像系統(tǒng)大多數(shù)還是屬于機(jī)械點(diǎn)掃描太赫茲成像技術(shù)，主要可以分為2種：①只記錄太赫茲強(qiáng)度信息的掃描成像技術(shù)；②同時(shí)記錄太赫茲強(qiáng)度信息和時(shí)域光譜信息的掃描成像技術(shù)。

1.1 只記錄太赫茲強(qiáng)度信息的掃描成像技術(shù)

圖1是基于連續(xù)波太赫茲輻射源的掃描成像系統(tǒng)示意圖。連續(xù)太赫茲波經(jīng)透鏡聚焦在焦點(diǎn)處，樣品放置在焦平面內(nèi)，通過(guò)機(jī)械位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)樣品的二維逐點(diǎn)移動(dòng)掃描，透射出樣品的太赫茲波再由透鏡聚焦到探測(cè)器上，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理樣品的太赫茲波強(qiáng)度信號(hào)得到掃描圖像。這種成像技術(shù)不僅可以使用連續(xù)波太赫茲輻射源，也可以使用脈沖式太赫茲輻射源。在使用脈沖式太赫茲輻射源如光電導(dǎo)天線時(shí)，如果不需要獲得樣品光譜信息，可以采取固定延遲線的成像方式，這種模式下，時(shí)間延遲線固定在太赫茲脈沖的峰值，探測(cè)器僅記錄太赫茲輻射的強(qiáng)度變化。

圖1 連續(xù)波太赫茲掃描成像系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of terahertz continuous wave scanning system

1.2 同時(shí)記錄太赫茲強(qiáng)度信息和時(shí)域光譜信息的掃描成像技術(shù)

同時(shí)記錄強(qiáng)度和光譜信息的成像技術(shù)被稱作太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)，該成像系統(tǒng)包括飛秒激光器、太赫茲輻射源、太赫茲探測(cè)器、時(shí)間延遲線以及樣品和機(jī)械位移平臺(tái)5部分，可分為透射式成像系統(tǒng)和反射式成像系統(tǒng)。圖2為透射式成像系統(tǒng)示意圖，采用光電導(dǎo)天線作為太赫茲輻射源，飛秒激光器產(chǎn)生的飛秒激光被分束器分成泵浦光和探測(cè)光，泵浦光通過(guò)透鏡聚焦到光電導(dǎo)天線的電極間隙，在光電導(dǎo)天線的光吸收區(qū)產(chǎn)生的光生載流子(電子空穴對(duì))被偏置電場(chǎng)加速產(chǎn)生太赫茲脈沖。太赫茲脈沖經(jīng)拋物面鏡準(zhǔn)直、聚焦到樣品上，探測(cè)光經(jīng)過(guò)多次反射后與太赫茲輻射共線通過(guò)碲化鋅(ZnTe)晶體并經(jīng)過(guò)1/4波片(QWP)和渥拉斯頓透鏡(wollaston lens,WL)分成兩路偏振方向相互垂直的線偏振光。當(dāng)太赫茲輻射不存在時(shí)，這兩路偏振光強(qiáng)度相同，測(cè)量該兩路信號(hào)之差所得的信號(hào)為零；當(dāng)太赫茲輻射存在時(shí)，由于普克爾效應(yīng)，碲化鋅晶體的性質(zhì)發(fā)生改變，使探測(cè)光的偏振態(tài)發(fā)生改變，分出的兩路偏振光不再相等，因此信號(hào)之差不為零。太赫茲波電場(chǎng)強(qiáng)度正比于該信號(hào)之差，通過(guò)改變時(shí)間延遲線就可以重構(gòu)完整的太赫茲時(shí)域波形。

圖2 透射式太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)Fig.2 Transmission terahertz time domain spectral imaging system

反射式系統(tǒng)和透射式系統(tǒng)相似，成像裝置如圖3，除了光路做了一些改變，成像原理與圖2的透射式逐點(diǎn)掃描成像原理相同。

圖3 反射式太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)Fig.3 Reflection terahertz time domain spectral imaging system

連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，只探測(cè)THz波的強(qiáng)度，在成像時(shí)需要探測(cè)大量采樣點(diǎn)的光強(qiáng)信息，根據(jù)尼奎斯特準(zhǔn)則，如果THz焦點(diǎn)的直徑為艾里斑的直徑，采樣間隔至少比艾里斑小5倍左右。假設(shè)艾里斑直徑為0.5 mm，采樣間隔不能超過(guò)100 μm，一個(gè)10 mm×10 mm的樣品大約需要104個(gè)采樣點(diǎn)。2012年Zhou等[8]利用量子級(jí)聯(lián)激光器作為太赫茲源對(duì)湯匙進(jìn)行成像，圖像大小為1 125像素，成像時(shí)間為30 min。

太赫茲脈沖時(shí)域光譜成像除了能探測(cè)強(qiáng)度信息還能探測(cè)到光譜、深度、物體散射性質(zhì)等信息，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)光和太赫茲輻射的時(shí)間延遲來(lái)重構(gòu)完整的太赫茲波形，因此在成像時(shí)，除了需要逐點(diǎn)掃描樣品，還需要改變光學(xué)延遲線探測(cè)更多的采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的數(shù)量取決于THz頻率帶寬和所需的光譜分辨率。當(dāng)光譜分辨率約為50 GHz時(shí)，時(shí)域所需采樣點(diǎn)數(shù)約為128個(gè)，結(jié)合空域和時(shí)域太赫茲脈沖時(shí)域光譜成像大約需要106個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)[9]。1995年，Hu等[10]第一次利用太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)對(duì)4.5 cm×2.3 cm的樹(shù)葉成像，圖像大小為3×104像素，采集速度為每秒12像素，成像時(shí)間約為42 min。

無(wú)論哪種機(jī)械點(diǎn)掃描太赫茲成像技術(shù)，由于需要很多的采樣點(diǎn)數(shù)，掃描過(guò)程十分漫長(zhǎng)，要獲得樣品一幅完整的太赫茲圖像通常需要耗時(shí)幾十分鐘至幾個(gè)小時(shí)不等，導(dǎo)致太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制。另一方面，縮短太赫茲脈沖的探測(cè)時(shí)間以減少噪聲會(huì)導(dǎo)致太赫茲波形失真[11]。此外，在安檢中需要在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出潛在的危險(xiǎn)源。因此如何提升成像速度成為太赫茲成像技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。針對(duì)這一問(wèn)題，許多研究小組提出了不同的解決方案：北京理工大學(xué)使用隨電壓轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡將THz聚焦成線狀掃描提升了掃描速度[12]，但是他們使用的探測(cè)器仍為點(diǎn)探測(cè)器，速度提升有限。天津大學(xué)單紀(jì)鑫利用CO2激光器對(duì)刀片進(jìn)行點(diǎn)掃描反射成像[13]，由于實(shí)驗(yàn)裝置中分光片使能量損失嚴(yán)重，成像質(zhì)量較差，在隨后的實(shí)驗(yàn)中，單紀(jì)鑫使用SIFIR-50激光器進(jìn)行面陣成像，但成像質(zhì)量仍較差。深圳大學(xué)同樣使用該激光器和熱釋電探測(cè)器對(duì)信封下的螺母等物品成像[14]，結(jié)果顯示，能夠清晰地分辨出螺母輪廓，但螺母的比例失調(diào)。首都師范大學(xué)使用CCD(charge coupled device)相機(jī)對(duì)手槍進(jìn)行實(shí)時(shí)成像[15]，成像面積較大但是成像質(zhì)量較差，只能分辨出手槍輪廓。隨后首都師范大學(xué)的張存林課題組利用單像素成像技術(shù)對(duì)規(guī)則和不規(guī)則物體進(jìn)行成像[16]，由于系統(tǒng)準(zhǔn)直和掩模板之間的錯(cuò)位使得成像效果不是很理想。中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所同時(shí)也使用單像素成像技術(shù)對(duì)中國(guó)漢字以20%-30%的采樣率進(jìn)行成像[17]，能夠清晰地分辨出漢字。下面將介紹這些技術(shù)方案并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

2 太赫茲快速成像技術(shù)

2.1 快速掃描的太赫茲成像技術(shù)

2.1.1 快速點(diǎn)掃描技術(shù)

傳統(tǒng)的位移平臺(tái)利用電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)帶、渦輪蝸桿、齒輪等機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)樣品平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)時(shí)間延遲線。這種機(jī)械傳動(dòng)存在阻力大、傳動(dòng)效率低、傳動(dòng)精度差等缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)，人們使用音圈電機(jī)來(lái)取代上述的平移臺(tái)。音圈電機(jī)是利用通電導(dǎo)體在磁體中受力運(yùn)動(dòng)的安培原理制成。這種電機(jī)中沒(méi)有傳統(tǒng)電機(jī)的螺母等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有體積小、速度高、加速度大、響應(yīng)速度快等特性。劉文權(quán)等[18]將音圈電機(jī)應(yīng)用到太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中，裝置示意圖如圖4。圖4中，飛秒激光器產(chǎn)生的脈沖激光被分為泵浦光和探測(cè)光，泵浦光被棱鏡反射進(jìn)入慢速延遲線后被反射到光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射，探測(cè)光通過(guò)反射鏡進(jìn)入快速延遲線，再經(jīng)過(guò)另一個(gè)反射鏡反射后由太赫茲探測(cè)器接收。該系統(tǒng)采用快速和慢速2種掃描模式，采用慢速掃描模式是為了解決音圈電機(jī)行程短而導(dǎo)致找不到信號(hào)的問(wèn)題，快速延遲線使用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在成像過(guò)程中，音圈電機(jī)處于高速運(yùn)動(dòng)中。在該成像方式中最大的掃描頻率達(dá)到了70 Hz，信噪比在低頻率掃描時(shí)約為120 dB，但在高頻率掃描中，由于信號(hào)進(jìn)入了鎖相放大器的抑制頻段，導(dǎo)致信噪比較低。

圖4 快速掃描太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of fast scanning terahertz time domain spectroscopy system

2.1.2 轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)

在早期的機(jī)械逐點(diǎn)掃描太赫茲成像系統(tǒng)中，不論是移動(dòng)樣品，還是利用光學(xué)延遲線對(duì)太赫茲脈沖進(jìn)行時(shí)域掃描和測(cè)量，都是使用線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，這樣的掃描方式掃描速度有限，通常不超過(guò)1 Hz，其次線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)不能連續(xù)移動(dòng)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[19]使用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)并通過(guò)多個(gè)反射鏡放大平臺(tái)的位移，即所謂轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，能夠以更高的速度實(shí)現(xiàn)連續(xù)位移，以更快的速度成像。旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)系統(tǒng)如圖5，該系統(tǒng)有多片反射鏡，通過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡調(diào)節(jié)太赫茲脈沖的掃描速度。太赫茲脈沖經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡、次反射鏡、主反射鏡的3次位移將微小位移放大，實(shí)現(xiàn)更高的掃描速度。

但是轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)也有其缺點(diǎn)。圖5中使用的多級(jí)曲面反射鏡本質(zhì)上是用幾何光學(xué)原理設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)太赫茲光束無(wú)限細(xì)，而實(shí)際上平行入射的太赫茲光束經(jīng)過(guò)曲面反射鏡反射后不再平行，這種因反射鏡而產(chǎn)生的像差會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量降低。同時(shí)，還需要注意的是，無(wú)論如何提高位移平臺(tái)的速度，太赫茲探測(cè)器采集每一個(gè)像素需要一定的時(shí)間，這與提升信號(hào)信噪比的鎖相放大器的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。所以即使移動(dòng)平臺(tái)的速度無(wú)限大，仍然需要花費(fèi)大量時(shí)間掃描每一個(gè)像素點(diǎn)。

圖5 多級(jí)反射的旋轉(zhuǎn)位移平臺(tái)Fig.5 Rotating microposition stages with multi-stage reflection

2.1.3 線掃描技術(shù)

線掃描技術(shù)是一種將太赫茲輻射聚焦成一條直線然后逐線掃描的成像方式，該成像技術(shù)通過(guò)離軸凹面反射鏡將太赫茲輻射聚焦成一條焦線，成像時(shí)太赫茲輻射源和探測(cè)器在運(yùn)動(dòng)方向上保持同步，位移平臺(tái)只需要在一維方向運(yùn)動(dòng)調(diào)整樣品位置就可以重建樣品的圖像，其成像裝置如圖6。由于不需要進(jìn)行二維掃描，而且線掃描響應(yīng)速度較快，大大減少了成像時(shí)間。

圖6 線掃描成像裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of line scanning imaging device

王彪等[20]采用線掃描技術(shù)，使用頻率為0.3 THz連續(xù)波太赫茲輻射和線陣探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了聚乙烯內(nèi)部缺陷的檢測(cè)和對(duì)信封內(nèi)部的剪刀和小刀的成像，僅耗時(shí)1 min就完成了100 mm×100 mm區(qū)域的成像且分辨率達(dá)到了1.5 mm。但是該成像技術(shù)在聚焦過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)焦線不均勻的情況，由于衍射效應(yīng)的影響，聚焦的太赫茲線會(huì)在焦線兩側(cè)出現(xiàn)衍射條紋影響成像質(zhì)量，在探測(cè)過(guò)程中可以使樣品盡量貼近探測(cè)器以減少衍射的影響。王彪等利用該技術(shù)對(duì)隱藏在信封下的剪刀進(jìn)行成像，如圖7，雖然信封遮擋造成了明顯的衍射和干涉條紋，但仍能夠清晰地分辨出剪刀。文獻(xiàn)[21]將線掃描應(yīng)用到了脈沖時(shí)域光譜成像中，實(shí)現(xiàn)了高速太赫茲彩色成像。該系統(tǒng)能夠以100 Hz的頻率對(duì)太赫茲波形進(jìn)行高速測(cè)量，在10 s內(nèi)獲取750×1 000像素的圖像。

圖7 信封下剪刀的太赫茲成像圖Fig.7 Terahertz image of scissors under envelope

2.1.4 面掃描技術(shù)

線掃描相比于點(diǎn)掃描技術(shù)，成像速度得到很大提高，如果想再進(jìn)一步提升成像速度，還可以進(jìn)一步采用面掃描技術(shù)，其成像裝置如圖8，這需要功率更高的太赫茲輻射源。文獻(xiàn)[22]首先將面掃描技術(shù)應(yīng)用到太赫茲波成像中，他們使用CO2激光器產(chǎn)生2.52 THz的太赫茲輻射，經(jīng)過(guò)拋物面鏡擴(kuò)束后形成直徑4.5 cm的光斑并對(duì)刀片進(jìn)行成像。該方法的掃描頻率達(dá)到了60 Hz，空間分辨率達(dá)到了1.5 mm。雖然實(shí)現(xiàn)了高速成像，但是刀片的結(jié)構(gòu)模糊不清，成像質(zhì)量不高。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，文獻(xiàn)[23]使用量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)生太赫茲輻射對(duì)信封中的鉛筆進(jìn)行成像。因使用了功率更高的太赫茲源，光斑尺寸達(dá)到了9 cm2，探測(cè)速率也提高到了20幀/s，信噪比約為340 dB。但是，量子級(jí)聯(lián)激光器需要在33 K的低溫下工作，在實(shí)際應(yīng)用中不僅需要考慮到冷卻裝置還需要減小環(huán)境溫度的影響。而且，光斑大導(dǎo)致能量分布不均勻，重建圖像的邊緣模糊；噪聲大，在成像時(shí)需要選擇合適的成像區(qū)域并對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理以減小圖像邊緣噪聲。李斌等[24]將面陣式探測(cè)器應(yīng)用到太赫茲層析成像中，他們使用遠(yuǎn)紅外連續(xù)激光器作為太赫茲源，通過(guò)2個(gè)鍍金的拋物面鏡將泵浦的太赫茲輻射進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直到10 mm，由于衍射的影響，在對(duì)吸管內(nèi)部重建圖像時(shí)中央出現(xiàn)了黑斑，他們利用角譜算法將探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系變換投影到物體背部并用FBP(filtered back projection)算法重建樣品圖像，減弱了衍射的影響。

圖8 面掃描成像裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of surface scanning imaging device

2.1.5 異步光學(xué)采樣技術(shù)

以上討論的各種太赫茲掃描成像技術(shù)不論怎樣改進(jìn)，始終沒(méi)有脫離機(jī)械掃描的模式，掃描速度難以進(jìn)一步提高。因此，人們把目光投向一種不使用機(jī)械位移平臺(tái)調(diào)節(jié)延遲線的技術(shù)，即異步光學(xué)采樣技術(shù)[25]。這種技術(shù)使用了2臺(tái)有固定重復(fù)率差值的飛秒激光器，假設(shè)某時(shí)刻2臺(tái)激光器發(fā)出的激光脈沖重合，由于2臺(tái)激光器重復(fù)率不同，下一時(shí)刻，太赫茲脈沖和探測(cè)光會(huì)出現(xiàn)時(shí)間延遲，以后每個(gè)脈沖都會(huì)增加時(shí)間延遲，直到2束激光再次重合為止。光學(xué)延遲線就是由這2束激光的時(shí)間延遲獲得的。圖9是該技術(shù)的裝置示意圖，該裝置由3部分組成：2臺(tái)飛秒激光器和頻率同步控制器。它們組成異步鎖相激光系統(tǒng)、太赫茲泵浦和探測(cè)系統(tǒng)、信息采集處理系統(tǒng)。采集單個(gè)脈沖的時(shí)間由飛秒激光器的重復(fù)率差值決定。

圖9 異步光學(xué)采樣裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of asynchronous optical sampling device

段國(guó)騰等[25]設(shè)計(jì)了全光纖耦合的異步光學(xué)掃描太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，使用2臺(tái)激光器，其中，第1臺(tái)主激光器輸出的飛秒激光由光纖耦合到光電導(dǎo)天線上泵浦出太赫茲輻射，另1臺(tái)激光器輸出的激光作為探測(cè)光。主激光器通過(guò)鎖相環(huán)控制重復(fù)率，第2臺(tái)激光器通過(guò)數(shù)值頻率合成器和另一個(gè)鎖相環(huán)控制重復(fù)率并與主激光器保持固定的差值。另外，使用外部時(shí)鐘使系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的重復(fù)率，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。兩激光器之間的頻率差值為500 Hz，探測(cè)一個(gè)完整的太赫茲脈沖時(shí)間為2 ms，理論采樣時(shí)間間隔為50 fs，頻譜分辨率為0.1 GHz，但是由于激光器的嚴(yán)重定時(shí)抖動(dòng)，頻譜帶寬僅為0.7 THz，實(shí)際的采樣間隔大于50 fs，低于理論采樣率。

2.2 單像素太赫茲成像技術(shù)

以上討論的成像方式都是基于香農(nóng)采樣定理成像的，需要掃描每一個(gè)像素點(diǎn)，后來(lái)發(fā)展出一種新型成像方式叫做單像素成像，該方式由羅徹斯特大學(xué)的Bennink提出[26]。它可以使用壓縮感知技術(shù)，能突破傳統(tǒng)香農(nóng)采樣理論，可以用少于目標(biāo)像素?cái)?shù)量的信號(hào)重建目標(biāo)[27]，這種探測(cè)方式只需要一個(gè)探測(cè)器，不需要使用機(jī)械位移平臺(tái)，與傳統(tǒng)光柵掃描方法相比，顯著減少了測(cè)量時(shí)間，成為太赫茲成像研究的熱點(diǎn)。

壓縮感知成像是一種尋找欠定線性系統(tǒng)的稀疏解的技術(shù)，這種技術(shù)方案使用與樣品空間特性不相干的基，每次測(cè)量都會(huì)得到有關(guān)每個(gè)像素的信息，只需要通過(guò)lbN次測(cè)量就能獲得N像素的圖像[28]。

將成像的樣品看作是一個(gè)矩陣I，I由N個(gè)像素在i位置處的強(qiáng)度I(i)組成；觀測(cè)矩陣P是空間光調(diào)制器的二值化表示，由M個(gè)具有0或1的二值表示組成，1表示太赫茲脈沖能透射，0表示太赫茲脈沖不能透射；探測(cè)器在第i個(gè)像素點(diǎn)探測(cè)到的光強(qiáng)度組成矩陣S，它們之間的關(guān)系為

S=PI

(1)

如果要成像的物體是已知的，P就可以定義成特定的基，例如哈達(dá)瑪基、傅里葉基或者噪聲基[29-30]。然而，在實(shí)際成像中往往不知道所要成像的物體，因此需要一種替代方法。

假設(shè)矩陣I在某個(gè)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，表示矩陣T可以被K列元素完全表示；選擇的R基被認(rèn)為是符合預(yù)期目標(biāo)的基。在實(shí)際選擇中，采樣基P應(yīng)該與R基不相關(guān)[32]，而正常情況下，圖像的解無(wú)法確定，但是由于信號(hào)I是K稀疏的，如果觀測(cè)矩陣P滿足有限等距性，使用的采樣圖案數(shù)量M≥O(Klog(N/K))時(shí)就能獲得近似的重建圖像為

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

(3)

于是重建圖像I*就可以通過(guò)(4)式獲得。

I*=RT*

(4)

(4) 式假設(shè)的是理想成像，沒(méi)有考慮在實(shí)際成像中會(huì)受到噪聲δ的影響。存在噪聲時(shí)，(4)式可以改寫為

T*=arg min‖T‖1‖S-PRT‖≤δ

(5)

單像素成像的核心思想是使用一系列調(diào)制的光場(chǎng)照射樣品，因此選擇合適的空間光調(diào)制器調(diào)制太赫茲輻射是實(shí)現(xiàn)單像素成像的一個(gè)重要因素，其性能影響采樣率、圖像分辨率、采樣速度和重建效果[33]。根據(jù)調(diào)制的方式可分為2種方案：①直接調(diào)制太赫茲光束。②調(diào)制的泵浦光束或探測(cè)光束。

2.2.1 直接調(diào)制太赫茲輻射

單像素成像中，物體反射的太赫茲波束被空間光調(diào)制器調(diào)制空間分布，有不少團(tuán)隊(duì)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的調(diào)制盤或隨機(jī)二值旋轉(zhuǎn)盤等方式進(jìn)行單像素成像以10%-30%的采樣率實(shí)現(xiàn)目標(biāo)重建。Liu等[34]通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)掩碼盤作為空間光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波的壓縮成像，成像裝置如圖10。圖10中，飛秒激光器產(chǎn)生的激光被分光器分成探測(cè)光和泵浦光，泵浦光通過(guò)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射，經(jīng)過(guò)離軸拋物面鏡反射準(zhǔn)直后依次通過(guò)旋轉(zhuǎn)掩膜盤和樣品后和探測(cè)光匯合。太赫茲輻射的峰值位置通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)延遲線找到，成像時(shí)將延遲線的位置固定在太赫茲輻射的峰值位置，探測(cè)器接收到的信號(hào)是旋轉(zhuǎn)掩膜盤旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)。

圖10 單像素成像裝置示意圖[34]Fig.10 Schematic diagram of single pixel imaging device[34]

旋轉(zhuǎn)掩膜盤被安裝在高速電機(jī)(600轉(zhuǎn)/min)上，樣品安裝在另一個(gè)旋轉(zhuǎn)較慢的電機(jī)(4轉(zhuǎn)/min)上，在成像測(cè)量過(guò)程中，提供了大約10幀/s的成像速度。旋轉(zhuǎn)掩膜盤下方使用了一對(duì)激光二極管和光電二極管使旋轉(zhuǎn)盤的位置與采集過(guò)程同步。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度就會(huì)形成一個(gè)新的二值掩膜圖案，并對(duì)太赫茲波束進(jìn)行空間調(diào)制。采樣過(guò)程就是通過(guò)這種旋轉(zhuǎn)-停止-測(cè)量的過(guò)程進(jìn)行的，在Liu的實(shí)驗(yàn)中，每旋轉(zhuǎn)1°進(jìn)行一次測(cè)量，每次測(cè)量用時(shí)1 s，進(jìn)行360次測(cè)量，以15%采樣率實(shí)現(xiàn)了48×48像素的漢字圖像重建，如圖11。從圖11中可以看出，由于采樣率較低，成像質(zhì)量較差，需要提高采樣率或使用更加優(yōu)化的重建算法。

圖11 使用旋轉(zhuǎn)掩碼盤的單像素重建圖像Fig.11 Reconstructed images of single pixed using spinning disk

2.2.2 調(diào)制泵浦光束或探測(cè)光束

與光學(xué)空間光調(diào)制器相比，由于太赫茲輻射波長(zhǎng)更長(zhǎng)，空間光調(diào)制器在調(diào)制太赫茲波束時(shí)，空間調(diào)制精度和空間分辨率都較低，Zhao等[35]提出調(diào)制探測(cè)光束來(lái)確定太赫茲輻射的空間分布，其裝置示意圖如圖12。圖12中，通過(guò)光整流的方式產(chǎn)生太赫茲輻射透射樣品，波長(zhǎng)為800 nm的探測(cè)光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器進(jìn)行空間編碼后被分束晶體反射到ZnTe晶體中與太赫茲光束共線傳播，經(jīng)過(guò)1/4波片、渥拉斯頓棱鏡進(jìn)入平衡光電二極管中進(jìn)行電光采樣。這種成像方式的空間分辨率受到樣品厚度、太赫茲輻射波長(zhǎng)、樣品和檢測(cè)晶體之間的距離影響。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，Zhao等通過(guò)將樣品放置在距離檢測(cè)晶體70 μm的地方，以50%的采樣率實(shí)現(xiàn)了60 μm的空間分辨率。另一種成像方式是利用已經(jīng)調(diào)制的泵浦光產(chǎn)生太赫茲輻射，這樣，在光整流過(guò)程中太赫茲輻射直接以光場(chǎng)的方式形成，這種成像方式首先是由Olivieri等[36]提出并驗(yàn)證，這種方式產(chǎn)生的太赫茲輻射強(qiáng)度正比于入射光強(qiáng)。因?yàn)楫a(chǎn)生的太赫茲波束已經(jīng)被空間調(diào)制，所以當(dāng)太赫茲波傳播到樣品表面時(shí)已經(jīng)不是原始模式，而是經(jīng)過(guò)傳播之后的模式，所以該成像方式只適用于近場(chǎng)成像，而且由于衍射存在，重建圖像受到誤差和偽像的嚴(yán)重影響。

單像素成像雖然能夠以欠采樣的方式重建獲得樣品圖像，但是由于這種采樣獲得的信號(hào)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于未知數(shù)的數(shù)量，重建的圖像模糊不清，解決方式是提升采樣比或者多次采樣以獲得更多的方程數(shù)量，但是隨著成像次數(shù)的提升花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)增加，因此仍需要研究更加優(yōu)化的信息壓縮感知編碼方法。

圖12 調(diào)制探測(cè)光束進(jìn)行單像素成像的裝置示意圖[35]Fig.12 Schematic of a device for modulating the detection beam for single pixel imaging[35]

2.3 合成孔徑雷達(dá)和探測(cè)器陣列結(jié)合的太赫茲二維成像技術(shù)

由于探測(cè)器的限制，傳統(tǒng)太赫茲探測(cè)器只能采集單個(gè)像素點(diǎn)信息，因此亟須發(fā)展能探測(cè)多個(gè)像素點(diǎn)的太赫茲探測(cè)器。Sheen等[37]提出將探測(cè)器制作成多靜態(tài)陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)采用4個(gè)線性陣列組成一個(gè)方形，內(nèi)部中空，發(fā)射器位于陣列的左右側(cè)，接收器位于頂部和底部。左右發(fā)射器發(fā)射的輻射被樣品反射后由上下方的接收器接收。為了實(shí)現(xiàn)快速采集，陣列必須大致與成像物體大小相同，如果物體為1 m2，元件間隔10 mm的陣列結(jié)構(gòu)就有200個(gè)發(fā)射元件，200個(gè)接收元件。制造這樣的探測(cè)器陣列需要高精度的制造技術(shù)，價(jià)格昂貴，而且數(shù)千個(gè)探測(cè)器陣列價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)用性不高。Jiang等[38]結(jié)合了合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)和探測(cè)器陣列，提出了一種太赫茲成像的新方法。合成孔徑雷達(dá)的幾何示意圖如圖13，探測(cè)物體的坐標(biāo)系OXYZ是固定的，“掃描雷達(dá)”由多個(gè)探測(cè)器組成，在距離探測(cè)物平面Z=Zc的位置，即X0O0Y0平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)掃描。這種旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有曲面反射鏡等成像原件造成的像差，并在系統(tǒng)成本和成像速度之間做出了權(quán)衡。但是，多個(gè)探測(cè)器密集集成會(huì)因?yàn)樗鼈冎g的串?dāng)_而存在問(wèn)題，此外，因?yàn)椴荒軐㈡i相放大器集成到探測(cè)器陣列中，信噪比低，成像質(zhì)量差。

2.4 太赫茲波電光調(diào)制二維成像

上述合成孔徑雷達(dá)和探測(cè)器陣列結(jié)合的太赫茲成像方法雖然實(shí)現(xiàn)了多維掃描，提升了太赫茲成像技術(shù)的實(shí)用性，然而，這種成像方式主要是通過(guò)將太赫茲輻射聚焦在一個(gè)點(diǎn)上并掃描獲得，本質(zhì)上仍是點(diǎn)掃描方式獲得圖像，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。為了解決這一問(wèn)題，Wu等[39]提出了二維電光采樣( electro-optic sampling，EOS)的方式配合CCD相機(jī)拍攝實(shí)時(shí)圖像，使太赫茲實(shí)時(shí)成像成為可能。圖14為電光調(diào)制太赫茲成像的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，采用的激光源是脈沖時(shí)間小于50 fs的鈦寶石激光器，并且使用GaAs晶片產(chǎn)生太赫茲輻射。通過(guò)使用離軸拋物面鏡將太赫茲輻射聚焦在厚0.9 mm、面積為6 mm×8 mm、晶體取向?yàn)?110>的ZnTe晶體上。探測(cè)光束的直徑大于太赫茲波束，通過(guò)相互垂直的偏振器和偏振分析器后，傳感器晶體中的二維電場(chǎng)分布被轉(zhuǎn)換成二維光強(qiáng)分布并被CCD相機(jī)記錄光學(xué)圖像。

圖13 太赫茲成像雷達(dá)[38]Fig.13 Terahertz imaging radar[38]

圖14 電光太赫茲成像實(shí)驗(yàn)裝置[39]Fig.14 Electro-optic terahertz imaging experimental device[39]

在電光采樣中最常用的檢測(cè)方法是平衡檢測(cè)法直接測(cè)量電場(chǎng)，探測(cè)光束和太赫茲光束匯合后首先通過(guò)電光晶體，電光晶體被太赫茲輻射改變了晶體性質(zhì)，對(duì)探測(cè)光產(chǎn)生了雙折射，因此線偏振的探測(cè)光被太赫茲輻射調(diào)制，變?yōu)闄E圓偏振光，隨后探測(cè)光通過(guò)1/4波片和渥拉斯頓棱鏡，分成2束相互垂直的偏振光I1和I2被2個(gè)探測(cè)器接收，根據(jù)線偏振光的強(qiáng)度差值計(jì)算出太赫茲輻射的信息，同時(shí)還可以根據(jù)強(qiáng)度差值使用鎖相放大器減小噪聲。Hattori等[40]提出將光外差檢測(cè)( optical heterodyne detection，OHD)方法應(yīng)用到CCD相機(jī)對(duì)THz的二維空間分布成像中。光外差探測(cè)方式利用探測(cè)光和太赫茲信號(hào)在CCD相機(jī)的光敏面上形成拍頻信號(hào)并輸出中頻光電流，從而檢測(cè)出太赫茲輻射中的調(diào)制信號(hào)，在Hattori的實(shí)驗(yàn)中，太赫茲光束和探測(cè)光束匯合后依次通過(guò)電光晶體、1/4波片和偏振分析器，然后被CCD相機(jī)接收。探測(cè)光的強(qiáng)度可以表示為

I=I0[η+sin2(θ+δ)]

(6)

(6)式中：1/4波片的光軸平行于入射光的偏振方向；分析儀的光軸方向與光路方向的夾角為δ；θ是電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差；η是由于光學(xué)器件固有的雙折射和散射引起的背景貢獻(xiàn)。

上述方法中無(wú)法使用鎖相放大器抑制噪聲，導(dǎo)致圖像信噪比較低，為解決這個(gè)問(wèn)題，Jiang等[41]提出使用動(dòng)態(tài)減法可以減少長(zhǎng)期光背景漂移，Zhang等[15]將其應(yīng)用到以CCD相機(jī)作為探測(cè)器的裝置中，圖15是其實(shí)驗(yàn)裝置圖示意圖。飛秒激光器發(fā)出的探測(cè)光入射到分頻器中，探測(cè)光的同步頻率被分頻器分成32和64分頻，這2個(gè)輸出頻率分別用于觸發(fā)斬波器和CCD相機(jī)，假設(shè)CCD相機(jī)拍攝的奇數(shù)幀包含有背景信息和樣品信號(hào)，而偶數(shù)幀只包含背景信號(hào)，信號(hào)S就可以從奇數(shù)幀探測(cè)光強(qiáng)I2n-1和偶數(shù)幀探測(cè)光強(qiáng)I2n中動(dòng)態(tài)提取，表示為

(7)

圖16是Zhang等利用該技術(shù)對(duì)塑料玩具槍進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，盡管成像質(zhì)量較差，但是能夠分辨出玩具槍的輪廓。

圖15 動(dòng)態(tài)減法太赫茲實(shí)時(shí)成像[15]Fig.15 Terahertz real-time imaging with dynamic subtraction[15]

2.5 太赫茲波二維探測(cè)器陣列(太赫茲相機(jī))直接成像技術(shù)

上述CCD相機(jī)與電光效應(yīng)相結(jié)合的方法雖然為實(shí)時(shí)成像提供了可能，但是該成像方法中必須使用與太赫茲波同步的探測(cè)脈沖，因此必須使用較高功率的脈沖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積較大，不利于實(shí)際使用推廣。因此，發(fā)展高靈敏度的集成的寬帶太赫茲波二維探測(cè)單元陣列直接進(jìn)行二維成像可以真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像，這類探測(cè)技術(shù)利用太赫茲波照射探測(cè)器使其溫度發(fā)生變化并引起其某些物理性質(zhì)改變，通過(guò)探測(cè)物理性質(zhì)的變化直接得到太赫茲波強(qiáng)度二維分布。

圖16 玩具槍太赫茲實(shí)時(shí)成像[15]Fig.16 Terahertz real-time images of the toy gun[15]

2.5.1 二維熱釋電探測(cè)器陣列太赫茲相機(jī)

熱釋電探測(cè)器是基于熱釋電效應(yīng)制成的。當(dāng)一些晶體溫度發(fā)生變化時(shí)，其表面的極化強(qiáng)度也會(huì)隨之變化，在晶體的某個(gè)方向上就會(huì)產(chǎn)生表面電荷，當(dāng)晶體溫度穩(wěn)定或者變化很慢時(shí)，表面電荷會(huì)被空氣中的電荷中和，如果晶體溫度變化較快，空氣中的電荷不能將晶體表面電荷中和，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生可以被探測(cè)到的熱釋電電流。圖17是熱釋電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖[42]，由封裝外殼、熱釋電敏感元件和讀出電路3部分組成，熱釋電敏感元件置于半空中，封裝外殼包括底座、外殼、金屬包邊和引腳，底座、外殼和金屬包邊形成雙層封閉結(jié)構(gòu)能夠屏蔽讀出電路的電磁干擾，使輸出信號(hào)更穩(wěn)定。讀出電路設(shè)置在金屬包邊的背面，與引腳相連。太赫茲輻射通過(guò)窗口照射到熱釋電敏感元件上，熱釋電元件產(chǎn)生的電流信號(hào)通過(guò)金屬包邊將信號(hào)傳出到讀出電路中放大并通過(guò)引腳傳輸出去，整個(gè)過(guò)程都在密封空間中完成，將環(huán)境干擾減到最小。

圖17 熱釋電探測(cè)器示意圖[42]Fig.17 Diagram of pyroelectric detector [42]

Yang[14]提出將熱釋電照相機(jī)應(yīng)用于太赫茲成像系統(tǒng)中對(duì)包裝在快遞袋中的螺母進(jìn)行成像，螺母的輪廓清晰可見(jiàn)，如圖18。Yang所使用的熱釋電相機(jī)是由LiTaO3熱電晶體組成的124×124探測(cè)陣列，入射在熱釋電晶體上的太赫茲波被吸收并產(chǎn)生熱量，從而在表面產(chǎn)生電荷，通過(guò)讀取電荷進(jìn)行檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。因此這種成像系統(tǒng)不需要探測(cè)光路，可以使用結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊的連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)。熱釋電探測(cè)器太赫茲相機(jī)的缺點(diǎn)是成像分辨率低，而且靈敏度低，需要較強(qiáng)的太赫茲波束。

圖18 信封下的螺母太赫茲成像[14]Fig.18 Terahertz imaging of nut under the envelope [14]

2.5.2 二維微測(cè)熱輻射計(jì)陣列太赫茲相機(jī)

為了克服熱釋電探測(cè)器太赫茲相機(jī)的缺點(diǎn)，Tohyama[43]提出將紅外相機(jī)中的微測(cè)熱輻射計(jì)陣列探測(cè)器作為太赫茲探測(cè)器，該探測(cè)器通過(guò)探測(cè)太赫茲波吸收引起的溫度升高而引起的測(cè)輻射熱計(jì)的電阻變化來(lái)探測(cè)太赫茲輻射。傳統(tǒng)的微測(cè)輻射熱計(jì)陣列如圖19a，包含輻射熱測(cè)量薄膜和讀出集成電路組成的一個(gè)薄金屬層作為太赫茲吸收器，吸收器下方有一個(gè)反射層，它們之間有一個(gè)空氣層，未被吸收的太赫茲波通過(guò)反射層重新反射回太赫茲吸收器增加探測(cè)器的靈敏度，太赫茲輻射的吸收效率與空氣間隙的厚度有關(guān)，吸收效率最高時(shí)，空氣間隙的厚度應(yīng)該與太赫茲輻射的波長(zhǎng)在同一量級(jí)。每個(gè)微側(cè)熱輻射計(jì)探測(cè)單元的腔長(zhǎng)大約為3～4 μm，比太赫茲輻射的波長(zhǎng)小得多(大約為100 μm)。因此，這種太赫茲探測(cè)器在低頻時(shí)的靈敏度很低，為了提高靈敏度需要增加空氣間隙的厚度，然而，當(dāng)空氣間隙增加到8 μm時(shí)，探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)裂紋，使能探測(cè)的像素?cái)?shù)量大大減少。Natsuki團(tuán)隊(duì)提出了一種新型基于微測(cè)熱輻射計(jì)陣列的太赫茲相機(jī)(1)http://www.nec.w.jp/geo/jp/products/hxo830ml.html，他們?cè)谔綔y(cè)器單元中的空氣間隙中插入了一層SiNx層(如圖19b)，SiNx對(duì)太赫茲輻射透明，并且折射率為1.9，增加了空氣間隙的有效長(zhǎng)度。

圖19 太赫茲探測(cè)器Fig.19 THz detectors

目前較為成熟的商用的基于非制冷微測(cè)熱輻射計(jì)的太赫茲相機(jī)由日本NEC公司生產(chǎn)，實(shí)物圖如圖20。太赫茲波頻率響應(yīng)為1～7 THz，320×240像素，單個(gè)像素為23.5 μm。這類太赫茲相機(jī)缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，而且靈敏度仍然較低。

圖20 非制冷微測(cè)熱輻射計(jì)太赫茲相機(jī)[45]Fig.20 Uncooled microbolometer THz camera[45]

3 總 結(jié)

太赫茲成像作為一種新型的成像手段具有廣泛的應(yīng)用前景，但這項(xiàng)技術(shù)受到成像速度的限制。本文介紹了太赫茲成像技術(shù)的原理，分析了造成太赫茲成像速度緩慢的原因，并著重分析了提高太赫茲成像速度的技術(shù)手段及其優(yōu)缺點(diǎn)?？焖賿呙璩上裢ㄟ^(guò)使用高速位移平臺(tái)，將太赫茲光束聚焦成線狀或面狀等手段提升了成像速度，然而高速機(jī)械位移平臺(tái)來(lái)回中斷的線性位移限制了掃描速度，因此使用能連續(xù)移動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)是一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的解決方案，但是它們的速度仍然受到電機(jī)精準(zhǔn)度和電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起的空氣湍流的限制，所以替換非機(jī)械延遲線的方案如異步光學(xué)采樣方式頗具吸引力，但是異步光學(xué)采樣技術(shù)需要使用2臺(tái)飛秒激光器，價(jià)格昂貴，因此未來(lái)需要降低系統(tǒng)成本，尋找能由一臺(tái)激光器發(fā)出具有固定頻率差的激光的方式；單像素成像能夠突破香農(nóng)定理實(shí)現(xiàn)欠采樣，但現(xiàn)有的技術(shù)只能對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物體成像且成像質(zhì)量較差，并且同一個(gè)掩膜適用的圖形有限，未來(lái)需要尋找更加優(yōu)化的信息重構(gòu)方法能夠以低采樣率實(shí)現(xiàn)更好的重構(gòu)效果，設(shè)計(jì)出能以更少損耗實(shí)現(xiàn)將太赫茲輻射由高斯分布轉(zhuǎn)換成平面分布的器件，探索制作動(dòng)態(tài)掩膜的材料如液晶材料或光控的半導(dǎo)體材料以增加掩膜適用的圖形數(shù)量，探索超材料，制作基本單元尺寸在亞波長(zhǎng)量級(jí)的掩膜以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率；電光效應(yīng)與CCD相機(jī)相結(jié)合的電光調(diào)制二維太赫茲成像和太赫茲相機(jī)都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像，與單像素探測(cè)器不同，線掃描和面掃描探測(cè)的太赫茲光束散布更大，CCD相機(jī)不能配合鎖相放大器使用，這使得成像信噪比很低，如何提升信噪比，改善成像質(zhì)量這是電光采樣技術(shù)需要解決的問(wèn)題；太赫茲相機(jī)在未來(lái)需要小型化，在不冷卻的情況下能夠在室溫下工作并且具有足夠的靈敏度。微測(cè)輻射熱計(jì)在低溫情況下具有很高的靈敏度，但是在室溫下靈敏度較低，未來(lái)可以將法布里-玻羅腔或者超材料引入到微測(cè)輻射熱計(jì)中增加太赫茲輻射的吸收來(lái)提高室溫下的靈敏度。有理由相信，隨著更高功率的太赫茲輻射源和更高靈敏度探測(cè)器以及太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率、高靈敏度、高信噪比的實(shí)時(shí)太赫茲成像，為國(guó)防安全、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的工具。