科学家在太赫兹成像技术取得新突破:开发低成本单像素太赫兹相机成像速度提升了100倍以上

最近科学家在太赫兹成像技术取得新突破,研究人员开发出一种低成本单像素太赫兹相机,成像速度提升了100倍以上。这为太赫兹成像技术用于非侵入式安全性和医疗检查提供了机会。

由华威大学物理系Emma Pickwell-Macpherson教授领导、Rayko Ivanov Stantchev和香港中文大学电子工程系的科学家参与的联合研究小组,在开发用于生物医学和工业应用的单像素太赫兹成像技术方面达到了一个关键里程碑。

他们的单像素太赫兹相机采集速度比以往最先进技术快100倍,而不会给整个系统增加任何重大成本,也不会牺牲最受欢迎应用所需的亚皮秒时间分辨率。

科学家在太赫兹成像技术取得新突破:开发低成本单像素太赫兹相机成像速度提升了100倍以上
单像素透射成像的光学装置

这一突破已发表在《自然-通讯》杂志上。

太赫兹透射的潜力和问题

太赫兹(THz)辐射,或T射线,位于电磁波谱中的红外线和WiFi之间。T射线具有不同于其他电磁波的特性,最明显的是它们可以穿透许多常见的材料,如塑料、陶瓷和衣服,使它们在非侵入性检查中具有潜在作用。另一个特点是T射线的低能光子是非电离的,从而使其在包括安全性和医学检查在内的生物环境中非常安全。它们对水也高度敏感,可以观察到生物物质水合状态的微小变化。这意味着,在不使用任何组织学标记的情况下,体内T射线可潜在地检测出干扰生物物质水分的疾病(例如皮肤癌)。

在过去的25年里,在实验室环境中已经可以高效地检测和生成T射线。然而,THz技术仍然没有广泛用于商业环境,因为成本,稳健性或易用性仍然滞后于工业环境中商业应用。

对于生物医学应用,由于设备不便于使用,并且由于需要测量多个太赫兹频率(用于精确诊断),成像速度太慢,因此很少进行临床试验。最后,设备和运行成本需要在医院的预算范围内。因此,目前对太赫兹技术的大量研究都集中在开发设备上,以提高成像速度,同时又不降低诊断准确率或由此引起的高成本。因此,寻找一种成像技术替代方案显得尤为重要。

单像素相机的优势

华威大学物理系的Emma Pickwell-Macpherson教授说。”我们使用所谓的’单像素相机’获取图像。简而言之,我们在空间上调制太赫兹光束。然后,使用一个单元素探测器记录要透过(或反射)成像物体的光,并继续对许多不同的空间模式进行此操作,直到可以数学方式重构出我们的图像为止目的。”

研究人员必须不断地多次改变THz光束的形状,这意味着与多像素探测器阵列相比,这种方法通常比较慢。然而,用于太赫兹多像素阵列通常缺乏亚皮秒级的时间分辨率,需要低温操作或产生巨大的设备成本(>35万美元)。华威大学团队开发的基于单像素探测器,价格合理(约2万美元),功能强大,坚固耐用,具有亚皮秒的时间分辨率(准确诊断所需),并且可在室温下运行。

Pickwell-Macpherson教授补充道。”我们的最新工作将单像素太赫兹相机的采集率比以前的先进技术提高了100倍,以每秒6帧的速度采集32×32的视频。我们的做法是:首先确定最佳的调制几何形状,其次通过对成像系统的时间响应进行建模以改善信噪比,第三通过压缩传感技术减少测量总次数。事实上,我们的部分工作表明,如果我们有足够的信噪比,采集速度将提高五倍。”

研究人员以前已经开发了几种太赫兹设备,包括利用全内反射几何结构在整个宽带频率范围内实现高MD的太赫兹调制器,以及利用布鲁斯特角进行振幅和相位调制的新方法。他们还在努力通过信号处理方法提高单像素THz太赫兹成像的分辨率。未来的工作将集中于改善信噪比和优化精确医学诊断所需的软件,最终目标是使用单像素太赫兹成像进行体内癌症诊断。

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