211service.com
En revolutionerande bildteknik använder en enda pixel för att fylla vår terahertz-döda fläck
Originalbild: Rekonstruktionsmetoder i THz Single-pixel Imaging; redigerad av MIT Technology review
Vid nästan varje våglängd har ingenjörer elektromagnetiska antenner som kan upptäcka och spela in vågorna och skapa exotiska bilder av världen vid radio-, mikrovågs-, infraröd-, synlig- och röntgenfrekvenser.
Men det finns en blind fläck i detta spektrum. Tekniken är fortfarande i sin linda för att upptäcka strålning med en våglängd på mellan 1 och 0,3 millimeter och en frekvens på cirka en terahertz. Utrustningen som kan upptäcka sådan strålning är skrymmande och dyr och de resulterande bilderna dåliga. Därav den döda fläcken, som ingenjörer har kallat terahertzgapet.
Ett bättre sätt att fånga dessa våglängder behövs desperat, inte minst för att få ett nytt fönster in i universum.
Idag beskriver Martin Burger vid universitetet i Munster i Tyskland och några kollegor en revolutionerande ny avbildningsteknik – komprimerad avkänning – som ska göra denna del av det elektromagnetiska spektrumet mer tillgänglig. Att tillämpa tekniken på terahertzvågor kommer sannolikt att förändra hur vi ser vår värld och universum bortom.
Först lite bakgrund. Terahertzvågor passerar genom kläder men inte genom hud eller metall. Om dina ögon kunde fånga upp dem, skulle människor verka nakna men dekorerade med nycklar och mynt men kanske också knivar och vapen. Så den här typen av bildbehandling har betydande säkerhetsapplikationer, för att inte tala om integritetsimplikationer.
Terahertz-frekvenser är svåra att upptäcka eftersom de sitter på det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågor och infrarött ljus, och det finns en viktig skillnad mellan hur dessa typer av strålning kan detekteras.
Mikrovågor, precis som radiovågor, skapas genom att accelerera en laddning fram och tillbaka vid den frekvens som krävs - i det här fallet upp till cirka 300 gigahertz. Detektering av mikrovågor utnyttjar samma process omvänt.
Däremot skapas infraröda vågor, liksom ljus, genom att en elektron i ett lämpligt material hoppar mellan två elektroniska nivåer. Detta genererar infrarött ljus när energin som krävs för att göra hoppet är ekvivalent med energin hos en infraröd foton. Samma process omvänt kan också detektera infraröda fotoner.
Att göra och upptäcka terahertzvågor är svårt eftersom de sitter i mitten där ingen av teknikerna fungerar särskilt bra. Det är svårt att accelerera laddningar vid terahertz-frekvenser. Och material med det bandgap som krävs för att skapa terahertz-fotoner är svåra att hitta, och de som kvalificerar sig måste ofta kylas till kryogena temperaturer. Det är därför terahertz-detektorer tenderar att vara skrymmande, dyra och svåra att hantera.
Men komprimerad avkänning kan hjälpa, säger Burger och co. Under de senaste åren har denna teknik tagit bildvärlden med storm eftersom den tillåter en enda pixel att spela in högupplösta bilder, även i 3D.
Tekniken fungerar genom att randomisera det reflekterade ljuset från en scen och sedan spela in det med en enda pixel. Randomiseringen kan göras på olika sätt, men ett vanligt tillvägagångssätt är att föra ljuset genom en digital array som kallas en rumslig ljusmodulator som visar ett slumpmässigt mönster av transparenta och ogenomskinliga pixlar. Randomiseringsprocessen upprepas sedan och ljusfältet registreras igen, och hela processen upprepas många gånger för att generera många datapunkter.
Till en början är det svårt att se hur detta kan producera en bild - trots allt är ljusfältet slumpmässigt. Men datapunkterna är inte helt slumpmässiga. Faktum är att varje datapunkt är korrelerad med alla andra eftersom de alla kommer från samma källa – den ursprungliga scenen. Så genom att hitta denna korrelation är det möjligt att återskapa originalbilden.
Det visar sig att datavetare har en mängd olika algoritmer som kan göra den här typen av siffror. Och resultatet är en bild med en upplösning som beror på antalet datapunkter som registreras av pixeln. Ju mer data, desto högre upplösning.
Det har omedelbar tillämpning för terahertz-avbildning. Hittills var det enda sättet att skapa en 2D-bild att använda en rad terahertzdetektorer eller att skanna en enda detektor fram och tillbaka för att kartlägga ljusfältet. Ingen av teknikerna är tillfredsställande på grund av den otympliga storleken på terahertzdetektorer.
Men komprimerad avkänning erbjuder ett alternativ: att använda en enda terahertz-detektor för att registrera flera datapunkter genom en rumslig ljusmodulator som randomiserar terahertz-ljuset. Det fungerar bra för synligt och infrarött ljus, och många grupper har börjat utnyttja det framgångsrikt.
Terahertz-ljus introducerar dock ytterligare komplexitet. Till exempel, eftersom terahertzvågor är två eller tre storleksordningar större än optiska vågor, böjs de lättare. Denna effekt och andra introducerar förvrängningar som gör bildrekonstruktionen mycket svårare. Det är denna utmaning med bildrekonstruktion som Burger och co har tagit sig an.
Deras resultat är imponerande. Teamet visar hur olika tekniker avsevärt kan förbättra kvaliteten på resulterande bilder. Den komprimerade avkänningsmetoden baserad på enpixelavbildning har stor potential att minska mättiden och ansträngningen i THz-avbildning, säger de.
Men det finns utmaningar framför oss. Ett problem är att hantera bilder gjorda av mer än en frekvens av terahertzljus. Denna typ av analys är särskilt viktig eftersom den ger spektroskopisk information om den kemiska sammansättningen av motivet på bilden - till exempel om ett kristallint pulver är mjöl eller någon form av drog.
Men detta kräver olika typer av mask. Så en utmaning är att hitta det bästa sättet att skapa en hyperspektral bild med det minsta antalet masker.
Icke desto mindre är Burger och co optimistiska att komprimerad avkänning kommer att möjliggöra snabba framsteg för att slutligen stänga terahertz-gapet.
Ref: arxiv.org/abs/1903.08893 : Rekonstruktionsmetoder i THz Single-Pixel Imaging