Een revolutionaire beeldvormingstechniek gebruikt een enkele pixel om onze terahertz blinde vlek te vullen

Originele afbeelding: reconstructiemethoden in THz Single-pixel Imaging; bewerkt door MIT Technology review

Op bijna elke golflengte hebben ingenieurs elektromagnetische antennes die de golven kunnen detecteren en opnemen en exotische beelden van de wereld kunnen maken op radio-, microgolf-, infrarood-, zichtbare en röntgenfrequenties.

Maar er is een blinde vlek in dit spectrum. De technologie staat nog in de kinderschoenen om straling te detecteren met een golflengte tussen 1 en 0,3 millimeter en een frequentie van ongeveer een terahertz. De apparatuur die dergelijke straling kan detecteren is omvangrijk en duur en de resulterende beelden zijn slecht. Vandaar de blinde vlek, die ingenieurs de terahertz-kloof hebben genoemd.

Een betere manier om deze golflengten vast te leggen is hard nodig, niet in de laatste plaats om een ​​nieuw venster op het universum te krijgen.

Vandaag beschrijven Martin Burger van de Universiteit van Munster in Duitsland en een paar collega's een revolutionaire nieuwe beeldvormingstechniek - gecomprimeerde waarneming - die dit deel van het elektromagnetische spectrum toegankelijker moet maken. Het toepassen van de techniek op terahertz-golven zal waarschijnlijk de manier veranderen waarop we onze wereld en het universum daarbuiten zien.

Eerst wat achtergrond. Terahertz-golven gaan door kleding heen, maar niet door huid of metaal. Als je ogen ze zouden kunnen oppikken, zouden mensen naakt lijken, maar versierd met sleutels en munten, maar misschien ook met messen en geweren. Dit soort beeldvorming heeft dus belangrijke beveiligingstoepassingen, om nog maar te zwijgen van de gevolgen voor de privacy.

Terahertz-frequenties zijn moeilijk te detecteren omdat ze zich in het elektromagnetische spectrum tussen microgolven en infrarood licht bevinden, en er is een belangrijk verschil tussen de manier waarop deze soorten straling kunnen worden gedetecteerd.

Microgolven worden, net als radiogolven, gemaakt door een lading heen en weer te versnellen met de vereiste frequentie - in dit geval tot ongeveer 300 gigahertz. Het detecteren van microgolven maakt gebruik van hetzelfde proces in omgekeerde richting.

Infraroodgolven daarentegen worden, net als licht, gemaakt door een elektron in een geschikt materiaal tussen twee elektronische niveaus te laten springen. Dit genereert infrarood licht wanneer de energie die nodig is om de sprong te maken gelijk is aan de energie van een infrarood foton. Hetzelfde omgekeerde proces kan ook infraroodfotonen detecteren.

Het maken en detecteren van terahertz-golven is moeilijk omdat ze in het midden zitten waar geen van beide technieken bijzonder goed werkt. Het is moeilijk om ladingen te versnellen op terahertz-frequenties. En materialen met de vereiste bandgap om terahertz-fotonen te maken, zijn moeilijk te vinden, en die welke in aanmerking komen, moeten vaak worden gekoeld tot cryogene temperaturen. Daarom zijn terahertz-detectoren vaak omvangrijk, duur en moeilijk te beheren.

Maar gecomprimeerde detectie kan helpen, zeggen Burger en co. In de afgelopen jaren heeft deze techniek de wereld van de beeldvorming stormenderhand veroverd, omdat een enkele pixel hiermee beelden met een hoge resolutie kan opnemen, zelfs in 3D.

De techniek werkt door het gereflecteerde licht van een scène willekeurig te verdelen en vervolgens op te nemen met een enkele pixel. De randomisatie kan op verschillende manieren worden gedaan, maar een gebruikelijke benadering is om het licht door een digitale array te laten gaan, een ruimtelijke lichtmodulator genaamd, die een willekeurig patroon van transparante en ondoorzichtige pixels weergeeft. Het randomisatieproces wordt dan herhaald en het lichtveld wordt opnieuw geregistreerd, en het hele proces wordt vele malen herhaald om veel datapunten te genereren.

In het begin is het moeilijk te zien hoe dit een afbeelding kan produceren - het lichtveld is tenslotte willekeurig. Maar de datapunten zijn niet helemaal willekeurig. Elk datapunt is inderdaad gecorreleerd met alle andere omdat ze allemaal uit dezelfde bron komen: de originele scène. Dus door deze correlatie te vinden, is het mogelijk om de originele afbeelding opnieuw te creëren.

Het blijkt dat computerwetenschappers verschillende algoritmen hebben die dit soort rekenwerk kunnen doen. En het resultaat is een afbeelding met een resolutie die afhangt van het aantal datapunten dat door de pixel is vastgelegd. Hoe meer gegevens, hoe hoger de resolutie.

Dat heeft onmiddellijke toepassing voor terahertz-beeldvorming. Tot nu toe was de enige manier om een ​​2D-beeld te maken het gebruik van een reeks terahertz-detectoren of het heen en weer scannen van een enkele detector om het lichtveld in kaart te brengen. Geen van beide technieken is bevredigend vanwege de logge afmetingen van terahertz-detectoren.

Maar gecomprimeerde detectie biedt een alternatief: een enkele terahertz-detector gebruiken om meerdere gegevenspunten vast te leggen via een ruimtelijke lichtmodulator die het terahertz-licht willekeurig maakt. Dat werkt goed voor zichtbaar en infrarood licht, en talloze groepen zijn begonnen het met succes te exploiteren.

Terahertz-licht introduceert echter enkele extra complexiteiten. Omdat terahertz-golven bijvoorbeeld twee of drie orden van grootte groter zijn dan optische golven, buigen ze gemakkelijker af. Dit en andere effect introduceren vervormingen die de beeldreconstructie veel moeilijker maken. Het is deze uitdaging van beeldreconstructie die Burger en co zijn aangegaan.

Hun resultaten zijn indrukwekkend. Het team laat zien hoe verschillende technieken de kwaliteit van de resulterende afbeeldingen aanzienlijk kunnen verbeteren. De gecomprimeerde detectiebenadering op basis van beeldvorming met één pixel heeft een groot potentieel om de meettijd en -inspanning in THz-beeldvorming te verminderen, zeggen ze.

Er zijn echter uitdagingen in het verschiet. Een probleem is het omgaan met beelden die gemaakt zijn van meer dan één frequentie van terahertz-licht. Dit soort analyse is vooral belangrijk omdat het spectroscopische informatie verschaft over de chemische samenstelling van het onderwerp in de afbeelding, bijvoorbeeld of een kristallijn poeder meel of een soort medicijn is.

Maar dit vereist verschillende soorten maskers. Het is dus een uitdaging om de beste manier te vinden om een ​​hyperspectraal beeld te creëren met zo min mogelijk maskers.

Desalniettemin zijn Burger en co optimistisch dat gecomprimeerde detectie snelle vooruitgang mogelijk zal maken bij het eindelijk dichten van de terahertz-kloof.

Referentie: arxiv.org/abs/1903.08893 : Reconstructiemethoden in THz Single-Pixel Imaging

zich verstoppen