太赫茲超分辨率成像研究進(jìn)展

曹丙花，張宇盟，范孟豹，孫鳳山，劉 林

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000；3.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所,北京 100076）

1 引言

太赫茲（Terahertz，THz）波是介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜[1]，頻率在0.1～10 THz 之間。與微波、紅外成像相比，THz 波具有以下特性：光子能量低，對物質(zhì)電離作用?。灰淄高^陶瓷、塑料等常見非極性和非金屬材料，可對其內(nèi)部進(jìn)行成像；許多生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級處于THz 頻段，可以建立分子指紋特征譜，鑒別物質(zhì)成分；對水敏感性高，非常適合做物質(zhì)的含水量分析[2]等等。這些特性使THz 技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于光譜分析、安全檢查、醫(yī)療診斷以及工業(yè)檢測[3-10]等領(lǐng)域。

在無損檢測中，THz 檢測及成像技術(shù)得到了很好的應(yīng)用，比如在熱障涂層的檢測中取得了一些研究成果[11-12]。然而，為了研究熱障涂層服役狀態(tài)與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以直觀反映涂層內(nèi)部信息，需要重建高質(zhì)量圖像。在其它領(lǐng)域的應(yīng)用中也有同樣需求。因此，如何獲得THz 超分辨率圖像已經(jīng)成為THz 技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

目前，THz 超分辨率成像主要有兩種解決方案：一個(gè)是成像系統(tǒng)方面，以近場探測倏逝波來突破衍射極限的思路設(shè)計(jì)相關(guān)光學(xué)器件，采集近場倏逝波，達(dá)到超分辨率成像目的；以超材料為基礎(chǔ)的超透鏡實(shí)現(xiàn)對倏逝波放大，以達(dá)到超分辨率成像；此外，THz 波段的噴射效應(yīng)也可實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。另一個(gè)是信號(hào)處理方面，超分辨率重建與卷積計(jì)算均為提升圖像質(zhì)量的有效手段。通過學(xué)習(xí)方法建立模型，確定低分辨率圖像與高分辨率圖像之間的映射關(guān)系，進(jìn)一步對未知低分辨率圖像進(jìn)行超分辨率預(yù)測，得到超分辨率圖像；卷積計(jì)算等方法則是直接對低分辨率圖像進(jìn)行處理，以提高成像分辨率。

本文主要對利用成像系統(tǒng)以及信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)超分辨率成像的方法進(jìn)行綜述。

2 太赫茲成像裝置與成像原理

2.1 太赫茲成像裝置

THz 成像可分為連續(xù)波成像與脈沖波成像。如圖1(a)所示，THz 連續(xù)波系統(tǒng)（Terahertz Continuous Wave,THz-CW）采集信號(hào)，使用THz波振幅信息進(jìn)行實(shí)時(shí)成像[13]。耿氏二極管作為輻射源，輻射出的THz 波穿過分光鏡(BS)后由透鏡聚焦到待測樣品上，最后由肖特基二極管和振蕩器探測信號(hào)。圖1(b)（彩圖見期刊電子版）為THz 時(shí)域光譜系統(tǒng)（Terahertz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS），它可以同時(shí)獲得振幅和相位信息進(jìn)行成像。THz-TDS 系統(tǒng)有透射模式和反射模式兩種常用模式[14]，THz 脈沖照射樣品后將攜帶其信息，此時(shí)與探測脈沖共同作用至探測器上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，根據(jù)等效時(shí)間采樣定理，還原時(shí)域THz 波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)THz脈沖的檢測[15]。

圖1 太赫茲成像裝置原理圖。（a）太赫茲連續(xù)波系統(tǒng)；（b）太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of the terahertz imaging device.(a) THz-CW system;(b) THz-TDS system

2.2 太赫茲成像原理

連續(xù)成像系統(tǒng)應(yīng)用THz 信號(hào)強(qiáng)度信息成像，移動(dòng)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，可獲得二維圖像。目前有研究人員[16]提出，基于三角波調(diào)制原理對連續(xù)THz 波進(jìn)行調(diào)頻，可以實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部不同深度信息的采集。

當(dāng)THz 脈沖作用在樣本上時(shí)，可獲取其透射或反射波形。其中，被測樣本的折射率、吸收系數(shù)以及厚度等會(huì)改變THz 波的脈沖幅度和相位。通過平移樣本，可獲取不同點(diǎn)的THz 波形，從而逐個(gè)像素構(gòu)建出被測樣本完整的THz 圖像。由于每個(gè)像素都包含一個(gè)完整的時(shí)域波形，故THz 時(shí)域波形的最大幅度、最小幅度或者到達(dá)時(shí)間均可以用來重建二維圖像，經(jīng)傅立葉變換到頻域中，單個(gè)頻點(diǎn)的幅值或者相位也可以用來重建圖像。

THz-TDS 層析成像可對三維物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像[17]。將特定時(shí)間點(diǎn)的時(shí)域波形幅值作為成像特征，重建二維圖像，堆疊不同時(shí)間點(diǎn)的二維圖像可以重建出被測對象的三維圖像。THz 脈沖時(shí)間分辨率在皮秒量級，故飛行時(shí)間法能夠以微米級分辨率確定交界面位置，還可以通過分析交界面處的反射率獲得物質(zhì)的折射率信息[18]。

3 太赫茲超分辨率成像系統(tǒng)

根據(jù)衍射效應(yīng)可知，在光學(xué)成像過程中，一個(gè)點(diǎn)物經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后所成的不是一個(gè)點(diǎn)像，這從根本上限制了光學(xué)系統(tǒng)的成像性能。

樣品散射信息中的近場信息包含了表征樣品高頻成分的倏逝波，因此有研究人員通過探測倏逝波，實(shí)現(xiàn)近場成像，突破衍射效應(yīng)限制，提高成像分辨率。

3.1 太赫茲近場成像

物體發(fā)射或散射的電磁場可分為兩個(gè)部分：遠(yuǎn)場與近場。其中，遠(yuǎn)場有能流傳播，不攜帶樣品細(xì)節(jié)信息，振幅與傳播距離成反比；近場無能流傳播，但攜帶更多細(xì)節(jié)信息，振幅隨距離增加呈指數(shù)衰減。倏逝波作為近場的一種駐波，在介質(zhì)邊界處傳播，如圖2(a)所示，僅存在于樣品表面波長范圍內(nèi)。Synge 等人首次提出應(yīng)用近場掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)超分辨率成像方法[19]，如圖2(b)所示。通過探針在近場探測倏逝波，可以實(shí)現(xiàn) λ/20的分辨能力。

圖2 （a）倏逝場示意圖和（b）近場掃描示意圖[19]Fig.2 Schematic diagrams of (a) evanescent field and(b) near field scanning[19]

研究人員借鑒微波、紅外、可見光等其它波段成熟方法[20]，提出了THz 波段的近場成像技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)物體表面的無損掃描[21-24]。圖3(a)是共焦法光學(xué)成像系統(tǒng)[25]，初步可實(shí)現(xiàn) λ/4分辨率。隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)應(yīng)用波導(dǎo)探測反射信號(hào)，可降低傳輸損耗[26-28]，提升入射與出射THz 波的耦合效率，進(jìn)一步提升成像分辨率。圖3(b)將平行平板波導(dǎo)作為耦合增強(qiáng)裝置，應(yīng)用濾波反投影算法重建圖像，最小分辨力可達(dá)100 μm（λ/15）。同樣，Yu 等人結(jié)合3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)THz 空芯共焦波導(dǎo)[29-30]，實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。孔徑法則將亞波長孔徑放置于近場區(qū)域內(nèi)，通過探測器采集倏逝波，其空間分辨率不受入射波長限制，圖3(c)為同心周期凹槽的亞波長孔徑[31]，這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了λ/17的空間分辨率。光導(dǎo)探針結(jié)構(gòu)如圖3(d)所示，光電導(dǎo)天線設(shè)計(jì)為亞波長量級錐形針尖結(jié)構(gòu)，將針尖放置于樣品近場區(qū)域，可以獲得超高分辨率。如圖3(e)所示，采用直徑為0.2 μm 的探針對封裝芯片進(jìn)行檢測，最小分辨精度能達(dá)到0.55 μm[32]，目前光導(dǎo)探針測量技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)診斷、電路缺陷檢測等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[33-34]。

圖3 太赫茲近場成像方法示意圖。（a）共焦法原理圖[25]；（b）波導(dǎo)法示意圖[28]；（c）孔徑法示意圖[31]；（d）光導(dǎo)探針示意圖[32]；（e）光導(dǎo)探針測量過程示意圖[32]Fig.3 Principle diagram of Terahertz near field imaging method.(a) Schematic diagram of confocal method[25];(b) schematic diagram of waveguide system[28];(c) schematic diagram of aperture system[31];(d) schematic diagram of photoconductive probe[32];(e) schematic diagram of photoconductive probe measurement[32]

3.2 太赫茲超透鏡

Pendry 等人[35]發(fā)現(xiàn)電磁波在負(fù)折射率材料中傳輸時(shí)，倏逝波振幅呈指數(shù)級增長，基于此，提出了“完美透鏡”理論被提出，也稱為超透鏡，它可以放大倏逝波。然而，自然界中并不存在負(fù)折射率材料。

超材料是亞波長尺度微納器件中的典型代表，是由亞波長尺度的有序結(jié)構(gòu)單元組成的宏觀復(fù)合材料[36]。通過設(shè)計(jì)不同的尺寸和結(jié)構(gòu)，可以獲得負(fù)折射率或超高折射率。圖4(a)為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[37]，在垂直于環(huán)面的磁場分量激勵(lì)下，產(chǎn)生磁響應(yīng)，其磁諧振頻率約為1.0 THz ；圖4(b)(彩圖見期刊電子版)為多層吸波器[38-39]，由金屬線諧振器和損耗介質(zhì)組成，在中心頻率為1.06 THz，0.5 THz 頻寬范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)超過95%高吸波率。

圖4 太赫茲超材料。（a）開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[37]；（b）太赫茲吸波器[38]Fig.4 Terahertz metamaterials.(a) Split resonant ring[37];(b) terahertz absorber[38]

Grbic[40]利用負(fù)折射率開展成像實(shí)驗(yàn)，首先在微波頻段得到了 λ/5的成像分辨率。由于該超材料工作過程中損耗嚴(yán)重，因此研究人員改變思路研制“單負(fù)”透鏡，只需使透鏡介電常數(shù)為負(fù)，即可實(shí)現(xiàn)倏逝波放大[41]。在THz 頻段，利用周期性金屬結(jié)構(gòu)可獲得理想超透鏡，常見的周期性金屬結(jié)構(gòu)主要有金屬光柵和亞波長周期金屬線兩種典型結(jié)構(gòu)。金屬光柵超透鏡具有各向異性雙曲色散材料特性，可實(shí)現(xiàn)渠道運(yùn)輸成像。圖5(a)(彩圖見期刊電子版)為Jung 等人設(shè)計(jì)的金屬光柵，其在3 THz 中心頻率處可實(shí)現(xiàn) λ/7成像分辨率[42]。隨后Huang 等人對上述光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使用扇形光柵，如圖5(b)(彩圖見期刊電子版)所示，可將成像距離拓展至遠(yuǎn)場，并在0.3 THz 中心頻率下得到λ/10成像分辨率[43]。

圖5 太赫茲光柵超透鏡。（a）金屬光柵超透鏡[42]；（b）扇形光柵超透鏡[43]Fig.5 Terahertz grating metalens.(a) Metal grating metalens[42];(b) sector grating metalens[43]

亞波長周期金屬超透鏡可以通過調(diào)控材料參數(shù)實(shí)現(xiàn)對倏逝波的傳輸和控制。圖6(a)(彩圖見期刊電子版)為Belov 等人首次利用周期金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超透鏡，并將金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為放射狀，仿真得到了 λ/6的成像分辨率[44]。隨后在紅外頻段仿真得到λ/10的分辨率，并在10 THz 中心頻率下進(jìn)行驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著頻率升高，材料色散和損耗特性更為突出[45-46]。Tuniz 等人設(shè)計(jì)了如圖6(b)(彩圖見期刊電子版) 所示的周期金屬結(jié)構(gòu)，表面由聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA) 中空管與銦絲(Indium) 堆疊而成，銦絲被環(huán)烯烴聚合物(Zeonex) 包圍，聚合物在THz 波段吸收率較低，通過微絲陣列在0.11 THz 中心頻率下近場掃描得到 λ/28成像分辨率[47]，首次在THz 波段驗(yàn)證了周期金屬線超分辨率成像能力。然而，亞波長周期金屬結(jié)構(gòu)超透鏡結(jié)構(gòu)龐大、損耗較高，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在諸多不便之處。

圖6 太赫茲金屬超透鏡。(a)放射型金屬線超透鏡[44]；（b）周期金屬線超透鏡[47]Fig.6 Terahertz metal metalens.(a) Radial metal wire metalens[44];(b) periodic metal wire metalens[47]

石墨烯是一種單層的半金屬材料，利用電學(xué)或者化學(xué)方式摻雜[48-49]，不同摻雜方式的石墨烯等離激元(Graphene Surface Plasmon，GSP) 的工作頻段在紅外至THz 波段變化?；诘入x激元超透鏡思想，可以使GSP 在THz 頻段實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。圖7(a)（彩圖見期刊電子版）是Taubner 等人設(shè)計(jì)的雙層石墨烯結(jié)構(gòu)，識(shí)別金屬狹縫可得到 λ/7分辨率[50]，對金屬圓孔進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)[51]，分辨率達(dá)到了 λ/11。與光學(xué)雙曲色散材料不同，石墨烯雙曲色散材料能同時(shí)支持橫電波和橫磁波。Andryieuski 等人設(shè)計(jì)的扇形結(jié)構(gòu)超透鏡，如圖7(b)（彩圖見期刊電子版）所示，通過石墨烯和介質(zhì)的角向堆疊可以在THz 波段實(shí)現(xiàn) λ/5遠(yuǎn)場超分辨率[52]。隨后，Tang 等人結(jié)合扇形調(diào)制設(shè)計(jì)了單層石墨烯超透鏡，電極結(jié)構(gòu)如圖7(c)（彩圖見期刊電子版）所示，在4.5～9 THz 帶寬下調(diào)制THz波，實(shí)現(xiàn)了 λ/150的超分辨率成像[53-54]?，F(xiàn)階段石墨烯的加工和測試等較難完成，特別是石墨烯的周期性調(diào)制還存在較大挑戰(zhàn)。

圖7 太赫茲石墨烯超透鏡。（a）雙層石墨烯超透鏡[50]；（b）扇形多層結(jié)構(gòu)石墨烯雙曲超透鏡[52]；（c）扇形調(diào)制結(jié)構(gòu)石墨烯雙曲超透鏡[54]Fig.7 Terahertz graphene metalens.(a) Dobule-layer graphene metalens[50];(b) sector multilayer graphene hyperbolic metalens[52];(c) sector modulated graphene hyperbolic metalens[54]

超表面為超材料的二維結(jié)構(gòu)形式，給THz 超透鏡提供了新的思路。Jiang 等人設(shè)計(jì)全介質(zhì)超表面透鏡[55]，焦長和半徑均為300 λ，聚束時(shí)最大入射角達(dá)48°，證明超表面在THz 波段具有聚焦與成像能力。隨后Yang 等人結(jié)合光學(xué)超振蕩理論設(shè)計(jì)超表面透鏡[56]，獲得半峰全寬為0.67 λ的聚焦光斑，突破了衍射極限。

綜上，超透鏡成像能很好地實(shí)現(xiàn)超分辨率重建，但是目前大多數(shù)超透鏡成像方法仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，且對檢測環(huán)境要求較高，損耗和集成等問題仍然非常嚴(yán)峻。

3.3 太赫茲噴射效應(yīng)

研究人員發(fā)現(xiàn)介質(zhì)微球能夠在白光光源下，獲得突破衍射極限的成像分辨率。微球透鏡可把倏逝波轉(zhuǎn)換為傳播波，其高頻信息得以進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)超分辨成像。這種超分辨率成像的原理基于光子噴射效應(yīng)[57]。

將聚四氟乙烯介質(zhì)柱體放置于距樣品表面0.5 mm（λ/5）處，對入射THz 波經(jīng)過二次聚焦和調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)亞波長太噴射效應(yīng)，通過THz-CW系統(tǒng)進(jìn)行成像達(dá)到 λ/2.3分辨能力[58]。如圖8（彩圖見期刊電子版）所示，在THz-TDS 系統(tǒng)的兩個(gè)拋物面鏡中間放置直徑為3 mm 聚四氟乙烯介質(zhì)小球[59]，對寬度為110 μm 的硅基介質(zhì)光柵進(jìn)行成像，能夠明顯地分辨出介質(zhì)光柵條紋。

圖8 太噴射THz-TDS 應(yīng)用[59]。（a）聚四氟乙烯介質(zhì)小球工作示意圖；（b）硅介質(zhì)光柵成像對比圖Fig.8 Terajet THz-TDS application[59].(a) Working diagram of teflon sphere;(b) comparison chart of silicon dielectric grating imaging

綜上，太噴射效應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)超分辨率成像，但還存在如下問題：(1) THz 波經(jīng)介質(zhì)結(jié)構(gòu)后所產(chǎn)生的光場形狀、大小等與仿真結(jié)果的一致性有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；(2)超精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的增強(qiáng)與探測、超分辨信息的提取等也有待進(jìn)一步研究與探討。

4 太赫茲信號(hào)處理技術(shù)

在已有THz 成像系統(tǒng)上，應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)提升分辨率是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用且有效手段，目前常用方法主要有圖像超分辨率重建以及卷積等方法。

4.1 太赫茲圖像超分辨率重建

圖像超分辨率重建主要可分為兩類，一類是圖像插值方法，該方法不需要訓(xùn)練樣本，通過增強(qiáng)圖像邊緣提高圖像分辨率[60]；另一類為應(yīng)用學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)圖像分辨率的提高，其中稀疏編碼和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等是目前常用的學(xué)習(xí)方法[61-62]。

郭等人使用圖像插值方法進(jìn)行THz 圖像超分辨率重建[63]，其中低頻信息得以有效恢復(fù)，但高頻信息丟失。為了更好地保留高頻信息，有研究人員將學(xué)習(xí)法與太赫茲圖像超分辨率重建結(jié)合使用。

基于學(xué)習(xí)方法的超分辨率重建被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。鄧等人提出一種局部約束稀疏編碼方法用于實(shí)現(xiàn)紅外圖像超分辨率重建[64]。但在該稀疏模型中，字典的不完備限制了超分辨率重建效果?；诖耍鄣热藢⑸疃葘W(xué)習(xí)方法引入超分辨率重建[65]，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)超分辨率重建。同樣，席等人提出基于深層殘差網(wǎng)絡(luò)超分辨率重建方法[66]。該方法主要用于解決卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算量大、收斂速度慢以及圖像紋理塊模糊等問題。

在紅外圖像超分辨率重建技術(shù)的發(fā)展過程中，一些學(xué)者研究了基于學(xué)習(xí)的THz 圖像超分辨率重建。盧等人通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了THz 圖像超分辨率重建[67]。其中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)過離散的固定水平訓(xùn)練，這使得網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)水平與THz 圖像不匹配，重建過程計(jì)算量巨大，耗時(shí)嚴(yán)重。Li 等人通過結(jié)合THz 成像系統(tǒng)三維退化模型[68]，通過點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function,PSF)確定成像范圍與相應(yīng)圖像恢復(fù)水平之間的關(guān)系，如圖9（彩圖見期刊電子版）所示。針對THz 波聚焦不同縱深處PSF 不斷變化這種情況，通過模型確定成像范圍和相應(yīng)的圖像恢復(fù)水平之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同深度THz 圖像的超分辨率重建。

圖9 適應(yīng)性超分辨率方法示意圖[68]Fig.9 Schematic diagram of an adaptive super-resolution method[68]

4.2 卷積計(jì)算在太赫茲成像中的應(yīng)用

縱向分辨率同樣是評價(jià)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)，當(dāng)前提升縱向分辨率的方法主要有小波分析與反卷積，它們均是通過卷積運(yùn)算進(jìn)行THz 信號(hào)處理。

小波分析在信號(hào)處理、數(shù)據(jù)壓縮、圖像處理、地震勘探、語音處理、機(jī)械故障診斷等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[69-70]。水蒸氣對THz 波吸收會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾，降低信號(hào)質(zhì)量。鄧等人提出使用Gabor 小波分析方法處理THz 信號(hào)，結(jié)果表明小波變換適合于THz 波的時(shí)域特性分析[71]。隨后，陳等人在空氣中使用THz-TDS 系統(tǒng)對淀粉、阿司匹林、蘇打以及二苯甲酮4 種樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描成像，經(jīng)小波變換對THz 信號(hào)進(jìn)行處理，樣品圖像識(shí)別效果清晰[72]。

在復(fù)雜薄樣品檢測中，THz 中心波長在亞毫米量級，而縱向分辨率難以逾越這個(gè)量級，無法辨別樣品內(nèi)部分界面。Dai 等人使用中心頻率為0.3 THz 成像系統(tǒng)對帶有預(yù)埋缺陷多層隔熱氈薄樣品進(jìn)行檢測，其上下表面反射峰距離太近因而產(chǎn)生混疊，使用Gaus2 小波對所有檢測點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行處理，可以有效分辨出混疊峰[73]。圖10（彩圖見期刊電子版）給出了小波變換處理前后的圖像對比，可以看出，經(jīng)過小波變換處理后，可精確定位隔熱氈缺陷區(qū)域，且與實(shí)際樣品吻合良好。

圖10 采用Gaus2 小波變換處理前后的成像對比圖[73]。Fig.10 Imaging comparison diagram[73] (a) before and(b) after Gaus2 wavelet transform

Zhang 等人使用THz 成像系統(tǒng)對集成電路進(jìn)行檢測，選擇db5 小波基進(jìn)行處理，使得成像分辨率得到提升[74]。同樣，張等人使用THz 成像系統(tǒng)對預(yù)制楔形缺陷酚醛塑料板進(jìn)行檢測，使用小波變換軟硬閾值方式處理檢測信號(hào)后再進(jìn)行成像[75]。結(jié)果顯示：該方法處理后能清晰分辨出樣件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，有效提升了成像分辨率。

利用THz 反卷積同樣可以解決反射峰混疊，使縱向分辨率得到提高[76]。Dong 等人使用中心頻率為1.5 THz 的成像系統(tǒng)對聚酯涂層進(jìn)行檢測，在涂層中預(yù)制腐蝕、分層以及氣泡等各類失效情況，使獲得的THz 信號(hào)存在嚴(yán)重混疊。通過反卷積后，反射峰更容易辨識(shí)，因此可以提升成像分辨率[77-78]。同樣，Ye 等人應(yīng)用THz 成像系統(tǒng)檢測熱障涂層，在涂層內(nèi)部預(yù)制兩種不同規(guī)格平行裂紋[79]。通過對THz 信號(hào)進(jìn)行反卷積處理，能有效分辨出裂紋寬度，將最小分辨精度從130 μm 提升到了80 μm。

然而，卷積方法通過壓縮反射峰脈寬消除混疊現(xiàn)象，在壓縮過程中會(huì)引起THz 時(shí)域信號(hào)的失真，使厚度測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在使用反卷積時(shí)，需要事先確定樣品折射率、消光系數(shù)等參數(shù)，才能準(zhǔn)確地提升縱向分辨率。

5 結(jié)束語

THz 超分辨率成像是成像系統(tǒng)不懈追求的永恒目標(biāo)。為了提升成像分辨率，研究人員將大量精力投入成像系統(tǒng)研發(fā)與信號(hào)處理兩個(gè)方面。

未來超分辨率成像研究方向主要包括以下方面：(1) THz 量子級聯(lián)激光器因結(jié)構(gòu)緊湊、功率較高，THz 成像領(lǐng)域備受關(guān)注，而大功率THz 源是提升成像系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一，因此，結(jié)合THz 量子級聯(lián)激光器技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、大景深以及超分辨率成像系統(tǒng)的研發(fā)是各領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注方向；(2) 將可編程技術(shù)與超材料融合是目前的熱點(diǎn)，目前在3 GHz 工作頻率下已實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)成像，因此，有望進(jìn)一步向THz 頻段邁進(jìn)；(3) 超分辨率圖像重建算法是前沿課題，在THz 波段引入AI 算法建立模型，建立常規(guī)成像與THz 成像信息的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超分辨率重建。總而言之，成像分辨率提升是一個(gè)復(fù)雜問題，需要在THz源、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理等各個(gè)方面進(jìn)行研究與突破。