跨越太赫兹鸿沟：高通量实时成像的曙光？

告别蜗牛扫描，实时透视不再是梦

你是否想象过，未来的安检仪能瞬间透视行李箱内的物品，医生能无创“看穿”皮肤下的癌细胞，文物修复师能精准分析千年古画下的每一层颜料？这些科幻场景的实现，正依赖于一种名为“太赫兹成像”的黑科技。

前言

太赫兹波因其独特的物理特性，在无损检测、生物医学诊断、安全筛查等领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统太赫兹成像系统因光栅扫描要求导致成像速度极低，严重限制了其实际应用。近年来，太赫兹成像系统的显著进步极大地提高了成像吞吐量，让太赫兹辐射从研究实验室走向实际应用的前景更加光明。

近期，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的李旭荣、Mona Jarrahi教授团队联合多国学者，在顶级光学期刊《Light: Science & Applications》上发表重磅综述，系统梳理了高通量太赫兹成像技术的突破性进展与未来挑战。这项研究为太赫兹技术从实验室走向现实应用扫清了关键障碍。

跨越“太赫兹鸿沟”：从蜗牛速度到实时成像

太赫兹波（THz）是介于红外和微波之间的电磁波，曾因缺乏高效发射和探测设备被称为“太赫兹鸿沟”。但它拥有独特优势：

透视能力：穿透塑料、纸张、布料等非导电材料

指纹特性：识别物质化学成分（如毒品、爆炸物）

安全无害：非电离辐射，不破坏生物组织

传统太赫兹成像依赖单像素传感器+机械扫描，获取一张图像需数小时。例如检测皮肤癌组织或药品涂层，漫长的等待让实际应用举步维艰。

计算成像算法的赋能

1. 太赫兹数字全息：通过干涉获取相位信息，支持视频速率（50fps）成像，分辨率达35μm，相比传统时域成像更具成本优势。

2. 单像素成像：利用压缩感知等算法，通过空间调制和少次测量重建图像，成像速度最高6fps，适用于远场和近场场景。

3. 衍射深度学习网络（D²NN）：通过光学衍射元件实现全光学信息处理，可完成物体分类、相位成像、透过散射介质成像等任务，具备低功耗、紧凑和高速的特点。

Fig. 1

最先进频域太赫兹图像传感器

Fig. 2

基于图像传感器阵列的频域太赫兹成像系统示例

Fig. 3

太赫兹时域成像系统

Fig. 4

基于电光与光导图像传感器阵列的时域太赫兹成像系统示例

Fig. 5

基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能与局限性概述

Fig. 6

多种太赫兹光谱成像方案

Fig. 7

基于空间光束编码的单像素太赫兹成像系统进展

Fig. 8

基于衍射深度神经网络（D²NNs）的计算太赫兹成像系统原理图综述

跨学科创新的关键纽带

太赫兹技术是连接电子工程、光子学、材料科学与计算科学的关键桥梁。从微测辐射热计的材料优化，到D²NN的光学计算突破，每一次进步都推动着多学科的深度融合，为新型传感器设计和计算成像算法开发提供了全新思路。

开启太赫兹“视觉革命”

如同可见光相机重塑人类对宏观世界的认知，高通量太赫兹成像正解锁物质在太赫兹频段的“隐藏特征”。无论是癌细胞的太赫兹光谱识别，还是6G通信中的高速太赫兹载波应用，该技术都在为人类开启一扇感知世界的新窗口，有望在未来医疗诊断、无线通信和安全领域引发革命性变革。

正如论文预言：“我们预见太赫兹成像科学与技术将迎来繁荣发展，它不仅属于科学实验室和工厂，更将走进每个人的日常生活。”

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41377-023-01278-0

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