太赫兹超分辨率成像研究进展
曹丙花 张宇盟 范孟豹 孙凤山 刘林
Rearch progress of terahertz super-resolution imaging
CAO Bing-hua, ZHANG Yu-meng, FAN Meng-bao, SUN Feng-shan, LIU Lin
引用本文:
曹丙花，张宇盟，范孟豹，孙凤山，刘林. 太赫兹超分辨率成像研究进展[J]. 中国光学, 优先发表. doi: 10.37188/CO.2021-0198 CAO Bing-hua, ZHANG Yu-meng, FAN Meng-bao, SUN Feng-shan, LIU Lin. Rearch progress of terahertz super-resolution imaging[J]. Chine Optics, In press. doi: 10.37188/CO.2021-0198
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文章编号 2095-1531（xxxx ）x-0001-13
太赫兹超分辨率成像研究进展
曹丙花1 *，张宇盟1，范孟豹2，孙凤山2，刘 林3
（1. 中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221000；
2. 中国矿业大学 机电工程学院, 江苏 徐州 221000；
3. 北京航天计量测试技术研究所, 北京 100076）
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，并在近二十年的发展中取得了巨大进步。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。超分辨率成像方法是目前THz 技术研究热点，首先回顾了THz 系统成像方法，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、超透镜以及太喷射效应等，THz 信号处理技术包括超分辨率重建与卷积计算等；最后，分析目前超分辨率成像存在的不足，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仍是亟待突破的瓶颈，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；卷积中图分类号：O43 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2021-0198
Rearch progress of terahertz super-resolution imaging
CAO Bing-hua 1 *，ZHANG Yu-meng 1，FAN Meng-bao 2，SUN Feng-shan 2，LIU Lin 3
（1. Schoole of Information and Control Engineering , China University of
Mining and Technology , Xuzhou 221000, China ；
2. Schoole of Mechatronic Engineering , China University of Mining and Technology , Xuzhou 221000, China ；
3. Beijing Institute of Aerospace Metrology and Measurement Technology , Bejing 100076, China ）
* Corresponding author ，E-mail : caobinghua@cumt.edu
Abstract : Terahertz (THz) imaging technology is one of the most cutting-edge technologies in many fields recently, and has made great progress in the development of recent two decades. With the increasing demand of scientific rearch, medical treatment, military and industrial applications, high-resolution THz images be-come indispensable. In order to obtain high-resolution THz images, super-resolution imaging have become a rearch hotspot. Firstly, the imaging methods of a THz system are reviewed, including continuous wave imaging and pul wave imaging. On this basis, THz super-resolution imaging systems and THz signal pro-cessing technologies are introduce
d in detail. The super-resolution imaging system includes near-field ima-ging, super lens and terajet effect, etc. The THz signal processing technologies basically could be identified
收稿日期：xxxx-xx-xx ；修订日期：xxxx-xx-xx
基金项目：国家自然科学基金(No. 62071471)，江苏省自然科学基金(No. BK20211244)
Supported by National Natural Science Foundtion of China (No. 62071471) and Natural Science Foundation of Jiangsu (No. BK20211244)
第 x 卷 第 x 期中国光学Vol. x No. x
xxxx 年x 月
Chine Optics
xxx. xxxx
as: super-resolution reconstruction and convolution calculation. Finally, the shortcomings of current super-resolution imaging are discusd. There are still some bottlenecks that need to be resolved, s
uch as the high manufacturing process requirements of the system, the slow acquisition speed, and low resolution of the learning samples ud to reconstructed the image. On this analysis, the rearch direction of super-resolution imaging is prospected.
Key words: Terahertz；Near field imaging；Super lens；Photon jet；Super resolution reconstruction；Convolu-tion calculation
1 引言
THz波是介于毫米波与红外光之间的电磁波谱[1]，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[2]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[3-10]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[11-12]。然而，为了研究热障涂层服役状态与内部微观结构的关系，直观反映涂层内部信息，需要重建高质量图像。这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技术研究热点。
目前，THz超分辨率成像主要有两种解决方案：一是成像系统方面，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达到超分辨率成像；此外，THz波段喷射效应也可实现超分辨率成像。另一是信号处理方面，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；卷积计算等手段则直接对低分辨率图像进行处理，提高成像分辨率。
本文主要对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。
2 太赫兹成像装置与成像原理
2.1 太赫兹成像装置
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 con-tinuous wave, THz-CW）采集信号，使用THz波振幅信息进行实时成像[13]。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。如图1(b)所示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方式[14]，THz脉冲照射样品并携带其信息，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[15]。
(a)
Reflecting lens
Lens
BS
Gunn diode
Schottky diode Terahertz source Sample
Metal sample table
2中国光学第 x 卷
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[16]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 脉冲幅度和相位。通过平移样本，获取不同点的THz 波形，可逐个像素构建出被测样本完整的THz 图像。由于每个像素包含一个完整时域波形，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，经傅里叶变换到频域中，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内部结构进行成像[17]。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反射率获得物质的折射率信息[18]。
3 太赫兹超分辨率成像系统
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。
3.1 太赫兹近场成像
λ/20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[19]，如图2(b)所示。通过探针在近场探测倏逝波，可以实现分辨能力。
λ/4λ/15研究人员借鉴微波、红外、可见光等其它波段成熟方法[20]，提出了THz 波段的近场成像技术，实现物体表面的无损扫描[21-24]。图3(a)是共焦法光学成像系统[25]，初步实现分辨率。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[26-28]，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 （）。同样，
(b)
BS Lars
Pump light
Prob light Single mode polarization maintaining fiber Dispersion compensation fiber Electric line
Optical fiber time delay device
Transmitting antenna
Splitter diaphragm Flange sleeve
Probe antenna
Metal samplesweaters
table
Reflection mode
PC
ARM bottom layer controller
打量Transmission mode
V oltage source Transmitting antenna
Probe antenna FPGA data
collector
Current amplifier
Delay device controller
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
手动挡驾驶技巧Fig. 1 Schematic diagram of terahertz imaging device. (a) THz-CW system; (b) THz-TDS system
第 x 期
曹丙花, 等: 太赫兹超分辨率成像研究进展
3
λ/17Yu 等人结合3D 打印技术设计THz 空芯共焦波导[29-30]，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，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[31]，这种结构实现了的空间分辨率。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，可以得超高分辨率。如图3(e)所示，采用直径0.2 μm 探针对封装芯片进行检测，最小分辨精度能达到0.55 μm [32]，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[33-34]。
3.2 太赫兹超透镜
Pendry 等人[35]发现电磁波在负折射率的材料中传输时，倏逝波振幅呈指数级增长，基于此提出了“完美透镜”理论被提出，也称为超透镜，它可以放大倏逝波。然而，自然界中并不存在负折射率材料。
Evanescent field
Scattering field
Incident field
(b)
(a)
x z
ybryan
Scanning distance z < λ
Point object
Aperture
size=d
Image size D ≈d
Scanning tip
d<λ/2Object
<
submit是什么意思图 2 倏逝场与近场扫描。（a ）倏逝场示意图 ；（b ）近场扫描示意图[19]
Fig. 2 Evanescent field and near field scanning. (a) evan-escent field; (b) near field scanning [19]
(a)
(b)
(c)
谢幕的意思(d)
(e)
810 nm 25 fs, 80 MHz ODL
Chopper 325 Hz
BS
+150 V M2M1
M3
M4
M5
M61
2
3
ZnTe WP λ/4-plate
BPD
325 Hz
PC Lock-in f =6 cm
Cylindrical lens
Sample
2.5 cm Tapered PPWG
Al foil Polarized normal to
the plane
Rx
Tx
x y
Diameter, d Gap
Metal layer
y
z Resin substrate
LT-GaAs
Gold
Tip radius=0.2 μm
Pump beam
Probe beam
Pul injection tip
TFMS line
TFMS dielectric (PP)
Pul detector tip
200 μm
x y
Open-end
图 3 太赫兹近场成像方法。（a ）共焦法系统图[25]；（b ）波导法示意图[28]；（c ）孔径法示意图[31]；（d ）光导探针示意图[32]；（e ）光导探针测量过程示意图[32]
Fig. 3 Terahertz near field imaging method. (a) confocal system [25] ; (b) waveguide system [28]; (c) aperture system [31]; (d) pho-toconductive probe [32]; (e) photoconductive probe measurement [32]
99814
中国光学
第 x 卷
