来源：phys.org；中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

    日前，中国上海微系统与信息技术研究所和复旦大学的研究人员采用代数重建法(ART)进行了太赫兹频段的3D成像。研究人员基于太赫兹量子级联激光器(QCL)和量子阱光谱探测仪，结合计算机X射线断层成像(CT)，研发了其相关技术。

高级重建算法能帮助系统针对匿藏物体勾画出精确、清楚图像

二对一

    X射线断层成像(CT)最初是在X射线频段内应用，即在X射线频段内，结合从不同角度的不同投影，对物体进行断面成像。CT的最基本原理是傅立叶中心切片定理(Fourier-slice theorem)，“如能获得二维成像不同角度的投影，则可以计算出任意点的像素值。”研究小组的第一作者周涛（音译）解释到，从更加数学的角度来说，“任何物体其平行投影的一维傅里叶变换是与该物体的二维傅里叶变换是相一致的。”

    采用时域光谱（TDS），将CT延展与运用于到太赫兹频段首次获得成功。在实验系统中，太赫兹脉冲主要靠飞秒激光器与光导天线生成。为实现类似CT的平行扫描模式，被测样本被置于一个变化——回转区域，通过线性啁啾光学探测光束，便可检测出传输太赫兹信号。如此一来，采用传统的滤波背投影（FBP）算法就可以重建断面图层，如按顺序叠加每个断面，则可创造出三维成像。

低功率相位

    对于三维太赫兹成像，时域光谱技术已被广泛使用，并能从单独侦测中获取信号的相位和振幅信息，信噪比高。由于太赫兹辐射相对较低的输出功率，重建工作主要还是基于与材料折射率相对应的相位信息。

    在太赫兹频段，滤波背投影（FBP）算法因其对硬件要求低和高精确度等优势是图像重建最常用的方法。但是其劣势也十分明显，比如：射束硬化、声像差、数据获取时间长等等。

太赫兹量子级联激光器是太赫兹辐射的有效光源

瑞利长度

    尽管大部分太赫兹应用都基于时域光谱（TDS）技术，但是仍有诸多问题亟待解决。同时，时域光谱（TDS）技术对系统的设计要求复杂，而成像重建又主要基于相位信息。

    在试验中，为了解决这些问题，周涛告诉我们：“我们就太赫兹CT对QCL和QWP进行了调整。现在，我们的系统是放置在露天环境中，与TDS不同的是，我们的图像重建是基于太赫兹信号的振幅。”这与大多数采用传统FBP算法的太赫兹CT研究完全不同，这势必要求更有效的角度抽样（通常多余36），而且对信噪也更加敏感。“其结果就是，”周涛继续说，“我们成功的采用了迭代ART算法来证明X射线CT的迭代重建方法对太赫兹光波同样适用。”

    瑞利长度在CT中起着主导作用。重建算法基于投影数据，它沿传输线路呈衰减的积分。“因此，”周涛表示，“光线的瑞利长度越长，其线模式模拟越好，如此才能确保算法的最基本条件，达到有效操作。”为了进一步提高技术，周涛还告诉我们，“采用短焦距可以获得更好的空间分辨率，但瑞利长度在太赫兹CT中更为重要。因此，在CT成像中我们选择的是长焦抛物面镜。”

    除了图像处理和重建的优势之外，研究小组所设计的系统在辐射光的生成与探测方面同样颇具特色。传统上，在太赫兹频段，主要都是宽带探测器，例如：低温冷却辐射热测定器，但是它们速度迟缓、主要反应区域又位于中红外频段。因此，周涛和他的研究小组选择了与太赫兹探测光谱相配的QWP，并使图像重建的质量保持相同水平。

提升能力

    基于QCL/QWP，并结合了ART算法的方式之前也有人采用过，但是在以前的各种应用中，其频率都大大低于1赫兹。该研究小组获取的图像证明了这种基于振幅的重建法在太赫兹频段十分有效，不仅可以大大减少取样数量，同时也有助于高质量图像的重建。

    但是，周涛也谈到所面临的一些挑战，“因为成像速度有限，所以我们大部分工作选择的仍然是点扫描模式。同时，因为重建算法是直接从X射线CT中借鉴，由于金属区域的不均匀性，重建算法不一定完全适合太赫兹频段。”

更好光源

    正如周涛解释的那样，中国研究人员已经就这些问题开始进一步试验，“目前，我们采用了线聚焦镜和太赫兹阵列探测器来提高获取数据的质量与获取速度；对于重建算法，我们正在努力了解反射引起的不均匀效应——算法假设会因反射而失效，所以我们应该有一些修正和调整，这也算是一道比较复杂的数学难题。”

    通过提高QCL 与 QWP的质量与运用，研究小组力求研发出更高质量的太赫兹光源与探测器。他们的设计与努力证明了其在CT/三维成像领域所作出的重要贡献和巨大潜力。

    太赫兹 CT是X光CT的自然延展，在成像领域已然是一项重要的技术。“今后十年，”周涛补充到，“这项技术的速度将更快（实时成像）、成像将更精确（高分辨率）、操作将更简单（系统更简单，室温操作）。如果所有的要求都能满足，我期待看见这项技术运用于生物医药和工业领域，就如同X光CT一般。”

    更多信息请参见文章标题为：“采用太赫兹量子级联激光器(QCL)和量子阱光谱探测仪的三维成像”（ “Three-dimensional imaging with terahertz quantum cascade laser and quantum well photodetector.”）《电子快报》，（Electronics Letters）, Volume 51, Issue 1, 08 January 2015, p. 85 – 86 DOI: 10.1049/el.2014.3873