Rewolucyjna technika obrazowania wykorzystuje pojedynczy piksel do wypełnienia naszego martwego pola terahercowego

Oryginalny obraz: Metody rekonstrukcji w obrazowaniu jednopikselowym THz; pod redakcją MIT Technology review

Na prawie każdej długości fali inżynierowie dysponują antenami elektromagnetycznymi, które mogą wykrywać i rejestrować fale oraz tworzyć egzotyczne obrazy świata w częstotliwościach radiowych, mikrofalowych, podczerwonych, widzialnych i rentgenowskich.

Ale w tym spektrum jest martwy punkt. Technologia jest wciąż w powijakach, aby wykrywać promieniowanie o długości fali od 1 do 0,3 milimetra i częstotliwości około teraherca. Sprzęt, który może wykryć takie promieniowanie, jest nieporęczny i drogi, a otrzymywane obrazy są słabe. Stąd martwy punkt, który inżynierowie nazwali przerwą terahercową.

Pilnie potrzebny jest lepszy sposób na uchwycenie tych długości fal, nie tylko po to, by uzyskać nowe okno na wszechświat.

Dzisiaj Martin Burger z Uniwersytetu w Munster w Niemczech i kilku kolegów opisuje rewolucyjną nową technikę obrazowania – skompresowane wykrywanie – która ma sprawić, że ta część widma elektromagnetycznego stanie się bardziej dostępna. Zastosowanie tej techniki do fal terahercowych prawdopodobnie zmieni sposób, w jaki postrzegamy nasz świat i wszechświat poza nim.

Najpierw trochę tła. Fale terahercowe przenikają przez ubrania, ale nie przez skórę czy metal. Gdyby twoje oczy mogły je uchwycić, ludzie pojawiliby się nadzy, ale udekorowani kluczami i monetami, ale być może także nożami i pistoletami. Tak więc ten rodzaj obrazowania ma istotne zastosowania w zakresie bezpieczeństwa, nie wspominając o wpływie na prywatność.

Częstotliwości terahercowe są trudne do wykrycia, ponieważ znajdują się w widmie elektromagnetycznym między mikrofalami a światłem podczerwonym, a istnieje istotna różnica między sposobami wykrywania tych rodzajów promieniowania.

Mikrofale, podobnie jak fale radiowe, są wytwarzane przez przyspieszanie ładunku tam iz powrotem na wymaganej częstotliwości — w tym przypadku do około 300 gigaherców. Wykrywanie mikrofal wykorzystuje ten sam proces w odwrotnej kolejności.

Natomiast fale podczerwone, podobnie jak światło, powstają poprzez przeskakiwanie elektronu w odpowiednim materiale między dwoma poziomami elektronicznymi. To generuje światło podczerwone, gdy energia wymagana do wykonania skoku jest równoważna energii fotonu podczerwonego. Ten sam proces w odwrotnej kolejności może również wykrywać fotony podczerwone.

Tworzenie i wykrywanie fal terahercowych jest trudne, ponieważ znajdują się pośrodku, gdzie żadna technika nie działa szczególnie dobrze. Przyspieszenie ładunków przy częstotliwościach terahercowych jest trudne. A materiały o wymaganej przerwie wzbronionej do wytworzenia fotonów terahercowych są trudne do znalezienia, a te, które się kwalifikują, często muszą być schładzane do temperatur kriogenicznych. Dlatego detektory terahercowe są zwykle nieporęczne, drogie i trudne w zarządzaniu.

Ale skompresowane wykrywanie może pomóc, mówią Burger i spółka. W ostatnich latach ta technika szturmem podbiła świat obrazowania, ponieważ umożliwia pojedynczym pikselowi rejestrowanie obrazów o wysokiej rozdzielczości, nawet w 3D.

Technika ta polega na losowaniu odbitego światła od sceny, a następnie rejestrowaniu go za pomocą pojedynczego piksela. Randomizację można przeprowadzić na różne sposoby, ale powszechnym podejściem jest przepuszczanie światła przez układ cyfrowy zwany przestrzennym modulatorem światła, który wyświetla losowy wzór przezroczystych i nieprzezroczystych pikseli. Proces randomizacji jest następnie powtarzany i ponownie rejestrowane pole światła, a cały proces jest powtarzany wiele razy, aby wygenerować wiele punktów danych.

Na początku trudno jest zobaczyć, jak to może dać obraz — w końcu pole światła jest losowe. Ale punkty danych nie są całkowicie losowe. Rzeczywiście, każdy punkt danych jest skorelowany ze wszystkimi innymi, ponieważ wszystkie pochodzą z tego samego źródła — oryginalnej sceny. Tak więc, znajdując tę ​​korelację, możliwe jest odtworzenie oryginalnego obrazu.

Okazuje się, że informatycy dysponują różnymi algorytmami, które potrafią wykonywać tego rodzaju przetwarzanie liczb. Rezultatem jest obraz o rozdzielczości zależnej od liczby punktów danych zarejestrowanych przez piksel. Im więcej danych, tym wyższa rozdzielczość.

Ma to natychmiastowe zastosowanie w obrazowaniu terahercowym. Do tej pory jedynym sposobem na stworzenie obrazu 2D było użycie szeregu detektorów terahercowych lub przeskanowanie jednego detektora tam iz powrotem w celu zmapowania pola światła. Żadna z technik nie jest zadowalająca ze względu na nieporęczne rozmiary detektorów terahercowych.

Jednak skompresowane wykrywanie oferuje alternatywę: użycie pojedynczego detektora terahercowego do rejestrowania wielu punktów danych za pomocą przestrzennego modulatora światła, który losowo wybiera światło terahercowe. Działa to dobrze w świetle widzialnym i podczerwonym, a wiele grup zaczęło z powodzeniem to wykorzystywać.

Jednak światło terahercowe wprowadza pewne dodatkowe komplikacje. Na przykład, ponieważ fale terahercowe są o dwa lub trzy rzędy wielkości większe niż fale optyczne, łatwiej ulegają dyfrakcji. Ten i inne efekty wprowadzają zniekształcenia, które znacznie utrudniają rekonstrukcję obrazu. Właśnie tego wyzwania rekonstrukcji obrazu podjęli się Burger i spółka.

Ich wyniki są imponujące. Zespół pokazuje, jak różne techniki mogą znacząco poprawić jakość otrzymanych obrazów. Twierdzą, że podejście skompresowanego wykrywania oparte na obrazowaniu jednopikselowym ma ogromny potencjał, aby skrócić czas i wysiłek związany z obrazowaniem THz.

Przed nami jednak wyzwania. Jednym z problemów jest radzenie sobie z obrazami wykonanymi z więcej niż jednej częstotliwości światła terahercowego. Ten rodzaj analizy jest szczególnie ważny, ponieważ dostarcza informacji spektroskopowych o składzie chemicznym obiektu na obrazie — na przykład, czy krystaliczny proszek to mąka, czy jakiś narkotyk.

Ale to wymaga różnych rodzajów masek. Wyzwaniem jest więc znalezienie najlepszego sposobu na stworzenie obrazu hiperspektralnego przy użyciu jak najmniejszej liczby masek.

Niemniej jednak Burger i spółka są optymistami, że skompresowane wykrywanie umożliwi szybki postęp w ostatecznym zamknięciu luki terahercowej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1903.08893 : Metody rekonstrukcji w obrazowaniu jednopikselowym THz

ukryć