T-ray kamerahastighed steg hundrede gange

Forskere er et skridt tættere på at udvikle et hurtigt og omkostningseffektivt kamera, der udnytter terahertz -stråling, potentielt åbner muligheden for, at de kan bruges i ikke-invasiv sikkerhed og medicinsk screening.

Et forskerhold ledet af professor Emma Pickwell-MacPherson fra University of Warwick Department of Physics og involveret forskere fra det kinesiske universitet i Hong Kong har nået en afgørende milepæl i retning af at udvikle en-pixel terahertz-billeddannelsesteknologi til brug i biomedicinske og industrielle applikationer.

Deres single-pixel terahertz-kamera nåede 100 gange hurtigere optagelse end den tidligere state-of-the-art uden at tilføje nogen væsentlige omkostninger til hele systemet eller ofre den sub-picosekund tidsopløsning, der er nødvendig for de mest eftertragtede applikationer.

Gennembruddet er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Potentialerne og problemerne ved Terahertz -stråling

Terahertz (THz) stråling, eller T-stråler, sidde imellem infrarød og WiFi på det elektromagnetiske spektrum. T-stråler har forskellige egenskaber fra andre elektromagnetiske bølger, især kan de gennemskue mange almindelige materialer såsom plast, keramik og tøj, gør dem potentielt nyttige ved ikke-invasive inspektioner. En anden kvalitet er, at lavenergifotoner af T-stråler er ikke-ioniserende, gør dem meget sikre i biologiske omgivelser, herunder sikkerhed og medicinsk screening. De er også meget følsomme over for vand og kan observere små ændringer i hydreringstilstanden for biologisk stof. Det betyder, at sygdomme forstyrrer vandindholdet i biologisk stof, såsom hudkræft, kan potentielt påvises ved hjælp af T-stråler in vivo uden histologiske markører.

Effektiv registrering og generering af T-stråler har været mulig i laboratorieindstillinger i de sidste 25 år. Imidlertid, THz -teknologien bruges stadig ikke i vid udstrækning i kommercielle omgivelser som prisen, robusthed og/eller brugervenlighed halter stadig bagud for kommerciel anvendelse i industrielle omgivelser.

Til biomedicinske anvendelser, meget få kliniske forsøg er blevet udført især på grund af at udstyret ikke er brugervenligt og billeddannelse er for langsomt på grund af behovet for måling af flere terahertz-frekvenser (til nøjagtig diagnose). Endelig, udstyr og driftsomkostninger skal ligge inden for hospitalsbudgetter. Som resultat, en masse forskning i terahertz -teknologi er i øjeblikket fokuseret på at udvikle udstyret til at forbedre billedhastighed, uden at reducere diagnosens nøjagtighed eller medføre store omkostninger. Som resultat, vi er nødt til at undersøge alternative billeddannelsesteknikker til dem, der i øjeblikket bruges i nutidens smartphones.

Fordelene ved single-pixel kameraer

Professor Emma Pickwell-MacPherson, fra Institut for Fysik ved University of Warwick, sagde:"Vi bruger det, der kaldes 'et enkeltpikselskamera' til at få vores billeder. Kort sagt, vi modulerer rumligt THz -strålen og skinner dette lys på et objekt. Derefter, ved hjælp af en enkeltelementdetektor, vi registrerer det lys, der transmitteres (eller reflekteres) gennem det objekt, vi ønsker at se. Vi bliver ved med at gøre dette for mange forskellige rumlige mønstre, indtil vi matematisk kan rekonstruere et billede af vores objekt. "

Forskerne er nødt til at blive ved med at ændre formen på THz-strålen mange gange, hvilket betyder, at denne metode normalt er langsommere sammenlignet med multi-pixel detektor-arrays. Imidlertid, multi-pixel arrays for terahertz-regimet mangler normalt midlertidig opløsning under et picosekund, kræver kryogene temperaturer for at fungere eller pådrage sig store udstyrsomkostninger (> US $ 350, 000). Opsætningen udviklet af Warwick -teamet, som er baseret på en enkeltelementdetektor, er rimeligt prissat (~ US $ 20, 000), robust, har sub-picosekund tidsmæssig opløsning (nødvendig for nøjagtig diagnose) og fungerer ved stuetemperatur.

Professor Pickwell-MacPherson tilføjer:"Vores seneste arbejde forbedrer erhvervelseshastigheden af ​​enkeltpixel terahertz-kameraer med en faktor 100 fra den tidligere state-of-the-art, erhverver en 32x32 video med 6 billeder i sekundet. Vi gør dette ved først at bestemme den optimale modulationsgeometri, for det andet ved at modellere vores billeddannelsessystems tidsmæssige reaktion til forbedring af signal-til-støj, og for det tredje ved at reducere det samlede antal målinger med komprimerede sanseteknikker. Faktisk, en del af vores arbejde viser, at vi kan nå en fem gange hurtigere erhvervelse, hvis vi har et tilstrækkeligt signal-til-støj-forhold. "

Forskerne har tidligere udviklet flere THz -enheder, herunder THz -modulatorer, der gør brug af den samlede interne refleksionsgeometri til at opnå høje MD'er på tværs af et bredbåndsfrekvensområde og en ny tilgang til amplitude og fasemodulation, der udnytter Brewster -vinklen. De arbejder også på at forbedre opløsningen af ​​single pixel THz -billeddannelse gennem signalbehandlingsmetoder. Fremtidens arbejde vil fokusere på at forbedre signal-til-støj og optimere den software, der er nødvendig til nøjagtig medicinsk diagnose, med det endelige mål at bruge enkelt pixel THz -billeddannelse til in vivo -kræftdiagnose.