211service.com
En revolusjonerende bildeteknikk bruker en enkelt piksel for å fylle vår terahertz blindsone
Originalbilde: Rekonstruksjonsmetoder i THz Single-pixel Imaging; redigert av MIT Technology review
Ved nesten alle bølgelengder har ingeniører elektromagnetiske antenner som kan oppdage og registrere bølgene og lage eksotiske bilder av verden ved radio-, mikrobølge-, infrarød-, synlig- og røntgenfrekvenser.
Men det er en blind flekk i dette spekteret. Teknologien er fortsatt i sin spede begynnelse for å oppdage stråling med en bølgelengde på mellom 1 og 0,3 millimeter og en frekvens på omtrent en terahertz. Utstyret som kan oppdage slik stråling er klumpete og dyrt og de resulterende bildene dårlige. Derav blindsonen, som ingeniører har kalt terahertz-gapet.
En bedre måte å fange disse bølgelengdene er desperat nødvendig, ikke minst for å få et nytt vindu inn i universet.
I dag beskriver Martin Burger ved Universitetet i Munster i Tyskland og noen få kolleger en revolusjonerende ny bildeteknikk – komprimert sansing – som skal gjøre denne delen av det elektromagnetiske spekteret mer tilgjengelig. Å bruke teknikken på terahertz-bølger vil sannsynligvis endre måten vi ser vår verden og universet utenfor.
Først litt bakgrunn. Terahertz-bølger passerer gjennom klær, men ikke gjennom hud eller metall. Hvis øynene dine kunne fange dem opp, ville folk virke nakne, men dekorert med nøkler og mynter, men kanskje også kniver og våpen. Så denne typen bildebehandling har betydelige sikkerhetsapplikasjoner, for ikke å snakke om personvernimplikasjoner.
Terahertz-frekvenser er vanskelige å oppdage fordi de sitter på det elektromagnetiske spekteret mellom mikrobølger og infrarødt lys, og det er en viktig forskjell mellom måten denne typen stråling kan detekteres på.
Mikrobølger, som radiobølger, lages ved å akselerere en ladning frem og tilbake med den nødvendige frekvensen - i dette tilfellet opp til omtrent 300 gigahertz. Oppdaging av mikrobølger utnytter den samme prosessen omvendt.
Derimot lages infrarøde bølger, som lys, ved å få et elektron i et passende materiale til å hoppe mellom to elektroniske nivåer. Dette genererer infrarødt lys når energien som kreves for å gjøre hoppet, tilsvarer energien til et infrarødt foton. Den samme prosessen i revers kan også oppdage infrarøde fotoner.
Å lage og oppdage terahertz-bølger er vanskelig fordi de sitter i midten der ingen av teknikkene fungerer spesielt godt. Det er vanskelig å akselerere ladinger ved terahertz-frekvenser. Og materialer med nødvendig båndgap for å lage terahertz-fotoner er vanskelig å finne, og de som kvalifiserer må ofte kjøles ned til kryogene temperaturer. Det er derfor terahertz-detektorer har en tendens til å være store, dyre og vanskelige å administrere.
Men komprimert sansing kan hjelpe, sier Burger og co. De siste årene har denne teknikken tatt bildeverdenen med storm fordi den lar en enkelt piksel ta bilder med høy oppløsning, selv i 3D.
Teknikken fungerer ved å randomisere det reflekterte lyset fra en scene og deretter ta det opp med en enkelt piksel. Randomiseringen kan gjøres på forskjellige måter, men en vanlig tilnærming er å sende lyset gjennom en digital array kalt en romlig lysmodulator som viser et tilfeldig mønster av transparente og ugjennomsiktige piksler. Randomiseringsprosessen gjentas deretter og lysfeltet registreres igjen, og hele prosessen gjentas mange ganger for å generere mange datapunkter.
Til å begynne med er det vanskelig å se hvordan dette kan produsere et bilde - tross alt er lysfeltet randomisert. Men datapunktene er ikke helt tilfeldige. Faktisk er hvert datapunkt korrelert med alle andre fordi de alle kommer fra samme kilde – den opprinnelige scenen. Så ved å finne denne korrelasjonen er det mulig å gjenskape det originale bildet.
Det viser seg at informatikere har en rekke algoritmer som kan gjøre denne typen tallknusing. Og resultatet er et bilde med en oppløsning som avhenger av antall datapunkter registrert av pikselen. Jo mer data, jo høyere oppløsning.
Som har umiddelbar bruk for terahertz-avbildning. Til nå var den eneste måten å lage et 2D-bilde på å bruke en rekke terahertz-detektorer eller å skanne en enkelt detektor frem og tilbake for å kartlegge lysfeltet. Ingen av teknikkene er tilfredsstillende på grunn av den uhåndterlige størrelsen på terahertz-detektorer.
Men komprimert sensing tilbyr et alternativ: å bruke en enkelt terahertz-detektor for å registrere flere datapunkter gjennom en romlig lysmodulator som randomiserer terahertz-lyset. Det fungerer bra for synlig og infrarødt lys, og mange grupper har begynt å utnytte det med hell.
Terahertz-lys introduserer imidlertid noen ekstra kompleksiteter. For eksempel, fordi terahertz-bølger er to eller tre størrelsesordener større enn optiske bølger, diffrakterer de lettere. Denne effekten og andre introduserer forvrengninger som gjør bilderekonstruksjonen mye vanskeligere. Det er denne utfordringen med bilderekonstruksjon Burger og co har tatt på seg.
Resultatene deres er imponerende. Teamet viser hvordan ulike teknikker kan forbedre kvaliteten på resulterende bilder betydelig. Den komprimerte sensing-tilnærmingen basert på enkeltpiksel-avbildning har et stort potensial for å redusere måletid og -anstrengelse i THz-avbildning, sier de.
Det er imidlertid utfordringer fremover. Et problem er å håndtere bilder laget av mer enn én frekvens av terahertz-lys. Denne typen analyse er spesielt viktig fordi den gir spektroskopisk informasjon om den kjemiske sammensetningen av motivet på bildet – for eksempel om et krystallinsk pulver er mel eller en slags medikament.
Men dette krever forskjellige typer maske. Så en utfordring er å finne den beste måten å lage et hyperspektralt bilde ved å bruke det minste antallet masker.
Ikke desto mindre er Burger og co optimistiske om at komprimert sensing vil tillate rask fremgang for å endelig lukke terahertz-gapet.
Ref: arxiv.org/abs/1903.08893 : Rekonstruksjonsmetoder i THz Single-Pixel Imaging