En revolutionerende billedbehandlingsteknik bruger en enkelt pixel til at udfylde vores terahertz blinde plet

Originalbillede: Rekonstruktionsmetoder i THz Single-pixel Imaging; redigeret af MIT Technology review

Ved næsten alle bølgelængder har ingeniører elektromagnetiske antenner, der kan registrere og optage bølgerne og skabe eksotiske billeder af verden ved radio-, mikrobølge-, infrarød-, synlig- og røntgenfrekvenser.

Men der er en blind plet i dette spektrum. Teknologien er stadig i sin vorden til at detektere stråling med en bølgelængde på mellem 1 og 0,3 millimeter og en frekvens på omkring en terahertz. Udstyret, der kan detektere sådan stråling, er omfangsrigt og dyrt, og de resulterende billeder er dårlige. Derfor den blinde vinkel, som ingeniører har kaldt terahertz-gabet.

Der er hårdt brug for en bedre måde at fange disse bølgelængder, ikke mindst for at få et nyt vindue ind i universet.

I dag beskriver Martin Burger ved universitetet i Munster i Tyskland og nogle få kolleger en revolutionerende ny billedbehandlingsteknik – komprimeret sansning – der skal gøre denne del af det elektromagnetiske spektrum mere tilgængelig. Anvendelse af teknikken på terahertz-bølger vil sandsynligvis ændre den måde, vi ser vores verden og universet udenfor.

Først lidt baggrund. Terahertz-bølger passerer gennem tøj, men ikke gennem hud eller metal. Hvis dine øjne kunne opfange dem, ville folk fremstå nøgne, men dekoreret med nøgler og mønter, men måske også knive og våben. Så denne form for billeddannelse har betydelige sikkerhedsapplikationer, for ikke at nævne konsekvenserne af privatlivets fred.

Terahertz-frekvenser er svære at detektere, fordi de sidder på det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølger og infrarødt lys, og der er en vigtig forskel på, hvordan disse typer stråling kan detekteres.

Mikrobølger, ligesom radiobølger, laves ved at accelerere en opladning frem og tilbage ved den nødvendige frekvens - i dette tilfælde op til omkring 300 gigahertz. Detektering af mikrobølger udnytter den samme proces omvendt.

Derimod laves infrarøde bølger ligesom lys ved at få en elektron i et passende materiale til at springe mellem to elektroniske niveauer. Dette genererer infrarødt lys, når den energi, der kræves for at foretage springet, svarer til energien fra en infrarød foton. Den samme proces omvendt kan også detektere infrarøde fotoner.

At lave og detektere terahertz-bølger er svært, fordi de sidder i midten, hvor ingen af ​​teknikkerne fungerer særlig godt. Det er svært at accelerere opladninger ved terahertz-frekvenser. Og materialer med den nødvendige båndgab til at skabe terahertz-fotoner er svære at finde, og dem, der kvalificerer sig, skal ofte afkøles til kryogene temperaturer. Det er derfor, terahertz-detektorer har tendens til at være omfangsrige, dyre og svære at administrere.

Men komprimeret sansning kan hjælpe, siger Burger og co. I de seneste år har denne teknik taget billedverdenen med storm, fordi den tillader en enkelt pixel at optage billeder i høj opløsning, selv i 3-D.

Teknikken fungerer ved at randomisere det reflekterede lys fra en scene og derefter optage det ved hjælp af en enkelt pixel. Randomiseringen kan udføres på forskellige måder, men en almindelig tilgang er at sende lyset gennem et digitalt array kaldet en rumlig lysmodulator, der viser et tilfældigt mønster af gennemsigtige og uigennemsigtige pixels. Randomiseringsprocessen gentages derefter, og lysfeltet registreres igen, og hele processen gentages mange gange for at generere mange datapunkter.

I starten er det svært at se, hvordan dette kan producere et billede - lysfeltet er trods alt tilfældigt. Men datapunkterne er ikke helt tilfældige. Faktisk er hvert datapunkt korreleret med alle andre, fordi de alle kommer fra den samme kilde - den originale scene. Så ved at finde denne sammenhæng er det muligt at genskabe det originale billede.

Det viser sig, at dataloger har en række forskellige algoritmer, der kan udføre denne form for tal-knusning. Og resultatet er et billede med en opløsning, der afhænger af antallet af datapunkter, der registreres af pixlen. Jo flere data, jo højere opløsning.

Det har øjeblikkelig anvendelse til terahertz-billeddannelse. Indtil nu var den eneste måde at skabe et 2-D-billede på at bruge en række terahertz-detektorer eller at scanne en enkelt detektor frem og tilbage for at kortlægge lysfeltet. Ingen af ​​teknikkerne er tilfredsstillende på grund af den uhåndterlige størrelse af terahertz-detektorer.

Men komprimeret sensing tilbyder et alternativ: Brug af en enkelt terahertz-detektor til at registrere flere datapunkter gennem en rumlig lysmodulator, der randomiserer terahertz-lyset. Det fungerer godt for synligt og infrarødt lys, og adskillige grupper er begyndt at udnytte det med succes.

Imidlertid introducerer terahertz-lys nogle yderligere kompleksiteter. For eksempel, fordi terahertz-bølger er to eller tre størrelsesordener større end optiske bølger, diffrakterer de lettere. Denne effekt og andre introducerer forvrængninger, der gør billedgendannelsen meget sværere. Det er denne udfordring med billedrekonstruktion, Burger og co har påtaget sig.

Deres resultater er imponerende. Holdet viser, hvordan forskellige teknikker markant kan forbedre kvaliteten af ​​resulterende billeder. Den komprimerede sensing-tilgang baseret på enkeltpixel-billeddannelse har et stort potentiale til at reducere måletid og -anstrengelse i THz-billeddannelse, siger de.

Der er dog udfordringer forude. Et problem er at håndtere billeder lavet af mere end én frekvens af terahertz-lys. Denne form for analyse er særlig vigtig, fordi den giver spektroskopisk information om den kemiske sammensætning af motivet på billedet - for eksempel om et krystallinsk pulver er mel eller en form for lægemiddel.

Men dette kræver forskellige typer maske. Så en udfordring er at finde den bedste måde at skabe et hyperspektralt billede ved at bruge det mindste antal masker.

Ikke desto mindre er Burger og co optimistiske om, at komprimeret sensing vil tillade hurtige fremskridt med endelig at lukke terahertz-gabet.

Ref: arxiv.org/abs/1903.08893 : Rekonstruktionsmetoder i THz Single-Pixel Imaging

skjule