Ingeniører udvikler terahertz billedbehandlingssystem, der er i stand til at optage 3D multispektrale billeder i realtid

Terahertz-bølger kan trænge gennem uigennemsigtige materialer og give unikke spektrale signaturer af forskellige kemikalier, men deres anvendelse til virkelige applikationer er blevet begrænset af den langsomme hastighed, store størrelse, høje omkostninger og kompleksitet af terahertz-billeddannelsessystemer. Problemet opstår på grund af manglen på passende focal-plane array-detektorer, komponenter, der indeholder strålingsdetektorer, der bruges af billeddannelsessystemet.

Et forskerhold ledet af Mona Jarrahi og Aydogan Ozcan, begge elektro- og computeringeniørprofessorer ved UCLA Samueli School of Engineering, har opfundet et nyt terahertz focal-plane-array for at løse dette problem.

Ved at eliminere behovet for rasterscanning, som fanger og viser et billede punkt for punkt, er forskerholdet i stand til at fremskynde billeddannelsen mere end 1.000 gange hurtigere end nuværende systemer. Det nye array udgør det første kendte terahertz-billeddannelsessystem, der er hurtigt nok til at optage videoer og levere 3D-multispektrale billeder i realtid og samtidig opretholde et højt signal-til-støj-forhold.

Udgivet i Nature Photonics UCLA-undersøgelsen beskriver det nye focal-plane-array, som involverer montering af 283.500 nanoantenner i et rum, der er mindre end størrelsen af ​​et typisk sesamfrø. Arrayet er i stand til at levere rumlige amplitude- og fasefordelinger, såvel som et afbildet objekts tidsmæssige og spektrale data direkte, og derved omgå behovet for rasterscanning. Holdet brugte også et maskinlæringstrænet neuralt netværk til at forbedre opløsningen af ​​de optagne billeder i realtid.

"Terahertz-billeddannelse kan hjælpe os med at se ting, vi ikke kunne detektere ved hjælp af andre processer eller teknologier," sagde Jarrahi, der har Northrop Grumman-stolen i elektroteknik og leder Terahertz Electronics Laboratory ved UCLA Samueli. "Med dette focal-plane-array har vi låst op for nye muligheder for at bruge terahertz-billeddannelse til real-time, high-throughput scanning og detektion på en måde, som ikke var mulig før."

Tidligere forsøg på at skabe hurtigere terahertz-billeddannelsessystemer har resulteret i lave signal-til-støj-forhold, hvilket gør det vanskeligt for forskere at opnå rene billeder. Systemerne var også omfangsrige og dyre. Ved hjælp af det nye focal-plane-array og dets medfølgende neurale netværk demonstrerede forskerholdet systemets evne til at afbilde 3D-mønstre ætset i silicium med mere end 1.000 pixels.

Den relativt lave energi af terahertz-fotoner og deres evne til at trænge gennem mange uigennemsigtige og ikke-ledende materialer gør terahertz-stråling lovende til en række forskellige anvendelser. Disse omfatter medicinsk billeddannelse, sikkerhedsscreening og inspektion af lægemidler eller landbrugsprodukter.

Jarrahi og Ozcan er begge medlemmer af California NanoSystems Institute ved UCLA, hvor Ozcan fungerer som associeret direktør for iværksætteri, industri og akademisk udveksling. Ozcan, der besidder UCLA's Volgenau Chair for Engineering Innovation og leder Ozcan Research Group, har også fakultetsudnævnelser i Institut for Bioingeniørvidenskab og David Geffen School of Medicine ved UCLA.

Teknologien bliver kommercialiseret af Lookin Inc., en startup udskilt fra Jarrahis forskningsgruppe. Virksomheden blev grundlagt af Jarrahi og Nezih Tolga Yardimci, en postdoc-forsker og medlem af hendes forskningsgruppe. Yardimci er forfatter til avisen og fungerer som Lookins administrerende direktør og teknologichef.

Andre forfattere af papiret er UCLA Samueli postdoc-forsker Xurong Li, kandidatstuderende Deniz Mengu, alumnus Deniz Turan og Ali Charkhesht - en hovedingeniør hos Lookin. Alle undtagen Charkhesht er nuværende eller tidligere medlemmer af Jarrahis og Ozcans forskningslaboratorier ved UCLA.

Flere oplysninger: Xurong Li et al., Plasmonisk fotoledende terahertz focal-plane array med pixel super-opløsning, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01346-2

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af UCLA Engineering Institute for Technology Advancement