革命性的太赫兹单像素成像重建技术,填补太赫兹盲点

MEMS 2019-04-22 3872

在几乎所有波长下，工程师们都可以利用电磁天线来探测并记录这些波，并用无线电、微波、红外、可见光和X射线等频率创建世界的美妙图像。

但在频谱中有一个“盲点”。波长在1到0.3毫米之间太赫兹频率的探测技术，仍处于起步阶段。能够探测这种辐射的设备往往体积较大且昂贵，并且得到的图像质量较差。因此，这个“盲点”被工程师们称之为“太赫兹空隙”。

为了获得进入宇宙的新窗口，迫切需要一种更好的方法来捕获这些波段。

德国明斯特大学（University of Munster）的Martin Burger及其团队介绍了一种革命性的新成像技术——压缩传感（compressed sensing），更容易捕捉太赫兹空隙电磁频谱。将这项技术应用于太赫兹波段，或有可能改变我们探究世界和宇宙的方式。

太赫兹波可以穿过衣物但不会穿过皮肤或金属。如果你的眼睛能够看到太赫兹波，那人们在你眼里都将不可描述。你还能够看到人们身上携带的钥匙或硬币，或许还有刀和枪。因此，太赫兹成像具有重要的安防应用价值，更不用说隐私问题了。

太赫兹频率难以探测，因为它们位于微波和红外光之间，而这些辐射的探测方法之间存在着很大的差异。

和无线电波一样，微波也是通过以所需的频率来回加速电荷而产生的，在这种情况下，频率可达约300千兆赫。微波的探测可以反过来利用相同的过程。

相比之下，红外波和可见光类似，是通过使合适材料中的电子在两个电子层级之间跃迁而产生的。当产生跃迁所需的能量等于红外光子的能量时，就会产生红外光。同样的反向过程也可以探测红外光子。

产生和探测太赫兹波比较困难，因为它们位于微波和红外之间，这两种技术都不能很好地应用于太赫兹波段。在太赫兹频率加速电荷很难。此外，具有所需带隙以产生太赫兹光子的材料很难找，而那些合格的材料通常必须低温冷却。这就是为什么太赫兹探测器往往体积庞大、昂贵且操作困难的原因。

不过，Burger及其同事表示，压缩传感或能帮助解决这些问题。近年来，这种技术已经风靡成像领域，因为它能够以单像素记录高分辨率图像，即使对于3D成像也是如此。

太赫兹单像素成像中成像平面设置示意图

利用截断振幅流（Truncated Amplitude Flow）和Levenberg-Marquardt方法重建π图像

该技术通过随机化场景的反射光，然后利用单像素记录来工作。这种随机化可以以各种方式完成，但是通常的方案是将光通过一种被称为空间光调制器的数字阵列，显示透明和不透明像素的随机图案。然后重复随机化过程并再次记录光场，多次重复整个过程以产生许多数据点。

起初很难看出这是如何产生图像的，毕竟，光场是随机的。但数据点并非完全随机。实际上，每个数据点都与所有其他数据点相关联，因为它们都来自同一个原始场景。因此，通过找到这种相关性，就可以重新创建原始图像。

事实证明，计算机科学家有各种算法可以进行这种数字运算。其结果是具有一定分辨率的图像，分辨率取决于像素记录的数据点的数量。数据越多，分辨率越高。

这可以直接应用于太赫兹成像。到目前为止，创建2D图像的唯一方法是使用太赫兹探测器阵列或来回扫描单个探测器以绘制光场。由于太赫兹探测器的尺寸较大，这两种技术都不够令人满意。

但压缩传感提供了另一种选择：使用单个太赫兹探测器通过随机化太赫兹光的空间光调制器记录多个数据点。这对于可见光和红外光很有效，许多团队已经成功地利用了这项技术。

不过，太赫兹波段带来了一些额外的复杂问题。例如，因为太赫兹波比光波大两到三个数量级，所以它们更容易发生衍射。这种效应及其它问题引入的畸变，使图像重建更加困难。Burger及其同事正致力于解决这种图像重建的挑战。

他们的研究成果令人印象深刻。该团队展示了显著提高最终图像质量的各种技术。“基于单像素成像的压缩传感，具有减少太赫兹成像测量时间和工作量的巨大潜力，”他们说。

但是，未来还有挑战。问题之一是处理一个以上太赫兹频率构成的图像。这种分析特别重要，因为它提供了关于图像中物质化学组成的光谱信息，例如，结晶粉末到底是面粉还是某种毒品。

但这需要不同类型的成像掩模（mask）。因此，挑战之一在于找到使用最少量掩模创建高光谱图像的最佳方法。

尽管如此，Burger及其团队乐观地认为压缩传感有望快速发展并最终填补“太赫兹空隙”。

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