《Advanced Sensor Research》：Simultaneous Multi-Layer Stacking for Longer-Wavelength Broadband Computed Tomography with a Carbon Nanotube Film Photo-Thermoelectric Camera Sheet
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本文报道了一种基于二维像素阵列集成碳纳米管（CNT）薄膜光热电（PTE）相机片的长波长（LW）计算机断层扫描（CT）系统，通过976 nm-10.3 μm宽带多波长光源实现不透明多层复合三维物体的无损结构重建与材料识别，相比传统一维阵列传感器将单波长操作时间缩短36.9%至约11分钟。
摘要
长波长（LW）计算机视觉（CV）监测技术凭借其材料特异性透射特性，在日用品和工业产品的无损检测领域展现出巨大潜力。碳纳米管（CNT）薄膜光热电（PTE）图像传感器凭借其宽带波长响应特性（400 nm–24 μm），在保持与传统窄带探测器相当灵敏度的同时，实现了对多种材料的识别能力。然而，CNT图像传感器有限的像素集成度导致CV测量需耗费大量时间进行光学空间扫描，制约了其在工业现场实时检测中的应用。本研究通过空气喷射分配印刷技术制备了二维像素阵列集成的CNT薄膜PTE相机片（像素面积20 mm×15 mm，总计60像素），构建了LW CT监测系统，在976 nm–10.3 μm波段对视觉不透明的多层复合三维物体进行结构重建与材料识别。
1 引言
LW CV技术通过红外（IR）至太赫兹（THz）波段的电磁波照射，能够可视化人眼不可见的多层复合物体内部三维结构。与传统X射线检测形成互补，LW测量特别适用于非金属材料的成分分析。然而，现有LW CT技术仍受限于窄带光源和有限材料适用性，例如玻璃和氟树脂对远红外（FIR）不透明。宽带传感器通过聚合不同波长下材料的特异性透射率，有望解决这一瓶颈。在各类宽带LW光学测量器件中，CNT传感器因其优异的宽带光吸收特性（>90%）和基于塞贝克效应（Seebeck effect）的PTE响应机制脱颖而出。但现有宽带LW CT系统因像素集成度低，需进行复杂空间扫描，导致检测效率低下。本研究通过开发大视场二维集成宽带光电成像仪，实现了扫描时间的显著优化。
2 结果
2.1 CNT薄膜PTE相机的基础性能
CNT薄膜在400 nm–24 μm波段表现出超过90%的光吸收率，其与银树脂电极材料的塞贝克系数差异（CNT: ≈50 μVK-1，银电极: ≈1.5 μVK-1）驱动了PTE电压响应。通过溶液法制备的二维相机结构包含三线一维阵列，像素间距为x轴1 mm、y轴5 mm，在零偏压条件下工作。全区域光照射实验显示，PTE响应分布与光束强度剖面一致，验证了器件对光强变化的线性响应。
2.2 CT重建的基本机制
实验系统由CNT薄膜PTE相机、多路数据采集器、多波长光源（976 nm/1.31 μm/10.3 μm）和电动旋转台构成。通过同步控制目标物旋转与信号采集，系统将透射PTE响应转换为归一化透射率线剖面，进而通过逆拉东变换（inverse Radon transform）生成截面图像。以含金属内芯的玻璃圆柱体为例，线剖面在目标边缘（≈5/15 mm）和金属条位置（≈10 mm）呈现特征性信号衰减，证明系统对复杂结构的解析能力。
2.3 基础模型CT重建结果
在976 nm照射下，系统成功重建了半透明外罩包裹的圆形（直径14 mm）、三角形（边长16 mm）和正方形（边长10 mm）模型的轮廓及内部金属条结构。对比实验显示，不透明外罩目标仅能重建外部形状，印证了波长选择性透射的特性。针对垂直堆叠结构（圆形-三角形-正方形金属构件），二维相机无需垂直扫描即同步获取各层CT图像，对底部三角形棱柱的尺寸重建误差控制在±10%以内。
2.4 复合三维物体的宽带多波长CT重建
对由聚合物圆柱（顶层）、金属三棱柱（中层）和半导体-玻璃复合立方体（底层）组成的多层目标，系统通过多波长扫描实现材料鉴别：976 nm波段识别半导体（不透明）和玻璃（透明），10.3 μm波段则呈现相反特性。CT图像清晰重构了各层几何形状及内部金属丝（直径2 mm），并通过透射率矩阵分析实现了聚合物、金属、半导体和玻璃的准确区分。二维相机将单波长扫描时间缩短至约11分钟，较一维阵列系统提升效率36.9%。
3 结论
本研究开发的二维CNT薄膜PTE相机系统在桌面级设备上实现了宽带LW CT的无损检测，兼具结构重建与材料识别能力。相比太赫兹CT（需飞秒激光屏蔽环境）和红外CT（限于生物样本），该系统在安全性、操作便利性和材料普适性方面具有显著优势。通过优化读出电路（响应时间常数数百赫兹）和结合电场驱动喷墨打印（线宽20 μm），未来可进一步提升系统速度与空间分辨率。
4 实验方法
使用金属性-半导体性混合单壁CNT分散液（EC-DH，0.2 wt.%）通过非接触空气喷射分配印刷在125 μm厚膜滤纸上制备像素阵列，银树脂导电浆料（ELEPASTE NP1）印制电极。塞贝克系数测量采用微型陶瓷加热器产生6 °C温差，紫外-可见-近红外光谱仪（UV-2600i）和傅里叶变换红外光谱仪（IR Spirit）分别表征光学特性。三维打印模型采用聚乳酸树脂（Magix MF2500）制作，最小加工分辨率50 μm（xy方向）。
