Revolucionāra attēlveidošanas tehnika izmanto vienu pikseļu, lai aizpildītu mūsu terahercu aklo zonu

Oriģinālais attēls: Reconstruction Methods in THz Single-pixel Imaging; rediģēja MIT Technology apskats

Gandrīz visos viļņu garumos inženieriem ir elektromagnētiskās antenas, kas var noteikt un reģistrēt viļņus un radīt eksotiskus pasaules attēlus radio, mikroviļņu, infrasarkano, redzamo un rentgenstaru frekvencēs.

Bet šajā spektrā ir aklā zona. Tehnoloģija joprojām ir sākuma stadijā, lai noteiktu starojumu ar viļņa garumu no 1 līdz 0,3 milimetriem un aptuveni terahercu frekvenci. Iekārtas, kas var noteikt šādu starojumu, ir apjomīgas un dārgas, un iegūtie attēli ir slikti. Līdz ar to aklā zona, ko inženieri ir nosaukuši par terahercu spraugu.

Ir ļoti nepieciešams labāks veids, kā uztvert šos viļņu garumus, jo īpaši, lai iegūtu jaunu logu Visumā.

Šodien Martins Burgers no Minsteres universitātes Vācijā un daži kolēģi apraksta revolucionāri jaunu attēlveidošanas paņēmienu — saspiestu sensoru —, kas ir paredzēts, lai padarītu šo elektromagnētiskā spektra daļu pieejamāku. Šīs tehnikas izmantošana terahercu viļņiem, visticamāk, mainīs veidu, kā mēs redzam savu pasauli un Visumu ārpus tās.

Pirmkārt, nedaudz fona. Teraherca viļņi iziet cauri drēbēm, bet ne caur ādu vai metālu. Ja jūsu acis varētu tos uztvert, cilvēki izskatītos kaili, bet dekorēti ar atslēgām un monētām, bet varbūt arī ar nažiem un ieročiem. Tātad šāda veida attēlveidošanai ir nozīmīgas drošības lietojumprogrammas, nemaz nerunājot par ietekmi uz privātumu.

Terahercu frekvences ir grūti noteikt, jo tās atrodas elektromagnētiskajā spektrā starp mikroviļņiem un infrasarkano gaismu, un pastāv būtiska atšķirība starp veidu, kā var noteikt šāda veida starojumu.

Mikroviļņus, tāpat kā radioviļņus, veido, paātrinot uzlādi uz priekšu un atpakaļ vajadzīgajā frekvencē - šajā gadījumā līdz aptuveni 300 gigaherciem. Mikroviļņu noteikšana izmanto to pašu procesu apgrieztā veidā.

Turpretim infrasarkanie viļņi, tāpat kā gaisma, tiek radīti, liekot elektronam piemērotā materiālā lēkt starp diviem elektroniskiem līmeņiem. Tas rada infrasarkano gaismu, kad lēcienam nepieciešamā enerģija ir līdzvērtīga infrasarkanā fotona enerģijai. Tas pats process apgrieztā veidā var arī noteikt infrasarkanos fotonus.

Terahercu viļņu veidošana un noteikšana ir sarežģīta, jo tie atrodas vidū, kur neviena tehnika nedarbojas īpaši labi. Ir grūti paātrināt uzlādi terahercu frekvencēs. Un materiālus ar nepieciešamo joslas atstarpi terahercu fotonu radīšanai ir grūti atrast, un tie, kas atbilst prasībām, bieži ir jāatdzesē līdz kriogēnai temperatūrai. Tāpēc terahercu detektori mēdz būt apjomīgi, dārgi un grūti pārvaldāmi.

Bet saspiestā sensora var palīdzēt, saka Burger un co. Pēdējos gados šī tehnika ir pārņēmusi attēlveidošanas pasauli, jo tā ļauj ar vienu pikseļu ierakstīt augstas izšķirtspējas attēlus pat 3D formātā.

Šī tehnika darbojas, nejauši atlasot ainas atstaroto gaismu un pēc tam ierakstot to, izmantojot vienu pikseļu. Randomizāciju var veikt dažādos veidos, taču izplatīta pieeja ir gaismas izvadīšana caur digitālo masīvu, ko sauc par telpisko gaismas modulatoru, kas parāda nejaušu caurspīdīgu un necaurspīdīgu pikseļu modeli. Pēc tam nejaušināšanas process tiek atkārtots un gaismas lauks tiek reģistrēts vēlreiz, un viss process tiek atkārtots daudzas reizes, lai ģenerētu daudz datu punktu.

Sākumā ir grūti saprast, kā tas var radīt attēlu — galu galā gaismas lauks ir nejaušināts. Bet datu punkti nav pilnīgi nejauši. Patiešām, katrs datu punkts ir saistīts ar visiem citiem, jo ​​tie visi nāk no viena avota — sākotnējās ainas. Tātad, atrodot šo korelāciju, ir iespējams atjaunot sākotnējo attēlu.

Izrādās, ka datorzinātniekiem ir dažādi algoritmi, kas var veikt šāda veida skaitļu sagraušanu. Un rezultāts ir attēls ar izšķirtspēju, kas ir atkarīga no pikseļa ierakstīto datu punktu skaita. Jo vairāk datu, jo augstāka izšķirtspēja.

Tas ir tūlītējs pielietojums terahercu attēlveidošanai. Līdz šim vienīgais veids, kā izveidot 2-D attēlu, bija izmantot terahercu detektoru masīvu vai skenēt vienu detektoru uz priekšu un atpakaļ, lai kartētu gaismas lauku. Neviena no metodēm nav apmierinoša terahercu detektoru smagnēja izmēra dēļ.

Bet saspiestā sensora piedāvā alternatīvu: izmantojot vienu terahercu detektoru, lai ierakstītu vairākus datu punktus, izmantojot telpisko gaismas modulatoru, kas nejauši iedala terahercu gaismu. Tas labi darbojas redzamajā un infrasarkanajā gaismā, un daudzas grupas ir sākušas to veiksmīgi izmantot.

Tomēr terahercu gaisma rada dažas papildu sarežģītības. Piemēram, tā kā terahercu viļņi ir par divām vai trīs kārtām lielāki nekā optiskie viļņi, tie vieglāk difraktē. Šis un citi efekti rada izkropļojumus, kas padara attēla rekonstrukciju daudz grūtāku. Tieši šo tēla rekonstrukcijas izaicinājumu ir uzņēmušies Burger un co.

Viņu rezultāti ir iespaidīgi. Komanda parāda, kā dažādas metodes var būtiski uzlabot iegūto attēlu kvalitāti. Viņi saka, ka saspiestās sensora pieejai, kuras pamatā ir viena pikseļa attēlveidošana, ir liels potenciāls samazināt mērīšanas laiku un piepūli THz attēlveidošanā.

Tomēr priekšā ir izaicinājumi. Viena problēma ir, strādājot ar attēliem, kas izgatavoti no vairāk nekā vienas terahercu gaismas frekvences. Šāda veida analīze ir īpaši svarīga, jo tā sniedz spektroskopisku informāciju par attēlā redzamā objekta ķīmisko sastāvu, piemēram, vai kristālisks pulveris ir milti vai kāda veida zāles.

Bet tas prasa dažāda veida maskas. Tāpēc izaicinājums ir atrast labāko veidu, kā izveidot hiperspektrālu attēlu, izmantojot mazāko masku skaitu.

Neskatoties uz to, Burger un co ir optimistiski, ka saspiestā uztveršana ļaus strauji sasniegt terahercu atšķirības noslēgšanu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1903.08893 : Rekonstrukcijas metodes THz viena pikseļa attēlveidošanā

paslēpties