7.8 太赫兹成像¶
太赫兹成像利用 THz 波的穿透性和物质特异性，获取目标内部结构和成分分布的二维或三维图像。相比 X 射线成像（电离辐射）和超声成像（需接触耦合），太赫兹成像具有非电离、非接触、兼具成像与光谱识别能力的综合优势，在安检、无损检测和生物医学领域具有独特价值。
一、THz 成像的基本模式¶
1.1 透射成像¶
THz 波穿过样品，探测器接收透射信号：
- 可获取样品各位置的吸收率（反映化学成分）
- 适合薄样品（几毫米至厘米量级，取决于材料）
- 不适合金属或含水量高的厚样品
1.2 反射成像¶
THz 波照射样品表面，接收反射信号（包括界面反射）：
- 适合不可透射的厚样品（混凝土、金属件内壁）
- 可探测亚表面分层结构（时域反射信号的到达时间反映界面深度）
- 用于涂层厚度测量、分层结构检测
1.3 THz 计算机断层扫描（THz-CT）¶
类似 X-CT，对样品在不同角度进行透射扫描，用滤波反投影（FBP）算法重建三维图像：
- 可获取内部三维密度/折射率分布
- 分辨率受衍射限制（毫米量级 @ 1 THz）
- 适合均质材料（塑料、陶瓷、泡沫）中的缺陷定位
二、扫描成像方式¶
2.1 点扫描（Raster Scan）¶
将样品或 THz 光束在二维平面内逐点扫描，每点完整测量 THz 时域波形（THz-TDS 成像）：
- 每点数据丰富（完整幅度和相位光谱）
- 速度慢（测量一幅图像需数十分钟）
- 分辨率可达衍射限（聚焦光斑 ~0.5 mm @ 1 THz）
2.2 线扫描¶
THz 束扩展为线形（柱面镜）照射一排像素，探测器阵列或相机同时采集一行数据，样品沿垂直方向步进，逐行拼接成图像。速度比点扫描快 N 倍（N 为线阵元素数）。
2.3 焦平面阵列（FPA）实时成像¶
使用 THz FPA（如室温 VOx 微测辐射热计阵列）实现实时成像（25–50 fps），无需机械扫描：
| 参数 | 典型值 |
|---|---|
| 像元间距 | 17–34 μm（但衍射限制分辨率为毫米级） |
| 帧率 | 25–50 Hz |
| 频率范围 | 0.5–5 THz |
| 优势 | 实时，无运动部件 |
| 局限 | 无光谱信息，灵敏度低于相干探测 |
三、安检应用¶
3.1 人员安检¶
THz 波可穿透衣物（干燥纺织品对 THz 近乎透明），在人体体表分辨隐藏的金属和非金属危险物品：
- 金属（刀具、枪支）：强反射，呈亮斑
- 爆炸物、陶瓷武器：可穿透但反射特性不同
- 液体炸药：因含水而强吸收，呈暗区
被动 THz 安检：利用人体自身热辐射（~0.3 THz，约 300 GHz 附近）成像，隐藏物品因阻挡热辐射形成对比。代表系统：L3 ProVision 毫米波安检门（全球机场广泛部署）。
主动 THz 安检：用 THz 源主动照射，获得更高对比度图像，可进行光谱分析识别物质。
3.2 邮件和包裹检查¶
透射 THz 成像可检查纸质或薄塑料包装内的粉末状危险品（毒品、炸药前体），同时通过光谱与参考库比对进行物质识别。
四、无损检测应用¶
4.1 航空复合材料检测¶
碳纤维增强聚合物（CFRP）在 THz 波段半透明，可探测分层、冲击损伤和气泡等缺陷：
- 透射成像：快速普查
- 时域反射成像：精确定位缺陷深度
- THz 工业检测系统已商业化（如 Teraview、Traycer 等公司）
4.2 药片涂层厚度检测¶
药物制剂的聚合物肠溶衣对 THz 透明，涂层内外界面的 THz 时域反射信号间距反映涂层厚度： - 非破坏性，逐粒检测 - 精度 ~1 μm（取决于 THz 带宽） - 已在制药行业实现在线检测部署
4.3 建筑材料和文物保护¶
- 混凝土墙体空洞和裂缝检测（反射成像）
- 壁画分层结构（透射成像）
- 古代手稿墨迹（被纸张或绑带遮盖时）
五、生物医学成像¶
| 应用 | 原理 | 状态 |
|---|---|---|
| 皮肤癌早期诊断 | 癌变组织含水量高，THz 吸收增强 | 临床研究阶段 |
| 伤口愈合监测 | 水分含量变化反映愈合进程 | 研究阶段 |
| 牙齿龋蚀检测 | 早期龋蚀区域矿物质减少，THz 特性变化 | 研究阶段 |
| 角膜含水量 | 眼科非接触检测 | 研究阶段 |
THz 对人体安全（非电离辐射，功率极低），但由于皮肤高含水量导致穿透深度仅 0.1–0.5 mm，主要用于表浅组织成像。
参考资料¶
- Mittleman (ed.), Sensing with Terahertz Radiation, Springer
- Kemp, "Terahertz Tomography: Applications and Advances", Proc. SPIE, 2011
- Ellrich et al., "Terahertz Quality Inspection for Automotive and Aviation Industries", J. Infrared Milli. Terahertz Waves, 2020
更新时间¶
2026-03-03