革命性的太赫茲單像素成像重建技術(shù),填補(bǔ)太赫茲盲點(diǎn)

在幾乎所有波長下，工程師們都可以利用電磁天線來探測并記錄這些波，并用無線電、微波、紅外、可見光和X射線等頻率創(chuàng)建世界的美妙圖像。

但在頻譜中有一個“盲點(diǎn)”。波長在1到0.3毫米之間太赫茲頻率的探測技術(shù)，仍處于起步階段。能夠探測這種輻射的設(shè)備往往體積較大且昂貴，并且得到的圖像質(zhì)量較差。因此，這個“盲點(diǎn)”被工程師們稱之為“太赫茲空隙”。

為了獲得進(jìn)入宇宙的新窗口，迫切需要一種更好的方法來捕獲這些波段。

德國明斯特大學(xué)（University of Munster）的Martin Burger及其團(tuán)隊(duì)介紹了一種革命性的新成像技術(shù)——壓縮傳感（compressed sensing），更容易捕捉太赫茲空隙電磁頻譜。將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于太赫茲波段，或有可能改變我們探究世界和宇宙的方式。

太赫茲波可以穿過衣物但不會穿過皮膚或金屬。如果你的眼睛能夠看到太赫茲波，那人們在你眼里都將不可描述。你還能夠看到人們身上攜帶的鑰匙或硬幣，或許還有刀和槍。因此，太赫茲成像具有重要的安防應(yīng)用價值，更不用說隱私問題了。

太赫茲頻率難以探測，因?yàn)樗鼈兾挥谖⒉ê图t外光之間，而這些輻射的探測方法之間存在著很大的差異。

和無線電波一樣，微波也是通過以所需的頻率來回加速電荷而產(chǎn)生的，在這種情況下，頻率可達(dá)約300千兆赫。微波的探測可以反過來利用相同的過程。

相比之下，紅外波和可見光類似，是通過使合適材料中的電子在兩個電子層級之間躍遷而產(chǎn)生的。當(dāng)產(chǎn)生躍遷所需的能量等于紅外光子的能量時，就會產(chǎn)生紅外光。同樣的反向過程也可以探測紅外光子。

產(chǎn)生和探測太赫茲波比較困難，因?yàn)樗鼈兾挥谖⒉ê图t外之間，這兩種技術(shù)都不能很好地應(yīng)用于太赫茲波段。在太赫茲頻率加速電荷很難。此外，具有所需帶隙以產(chǎn)生太赫茲光子的材料很難找，而那些合格的材料通常必須低溫冷卻。這就是為什么太赫茲探測器往往體積龐大、昂貴且操作困難的原因。

不過，Burger及其同事表示，壓縮傳感或能幫助解決這些問題。近年來，這種技術(shù)已經(jīng)風(fēng)靡成像領(lǐng)域，因?yàn)樗軌蛞詥蜗袼赜涗浉叻直媛蕡D像，即使對于3D成像也是如此。

太赫茲單像素成像中成像平面設(shè)置示意圖

利用截?cái)嗾穹鳎═runcated Amplitude Flow）和Levenberg-Marquardt方法重建π圖像

該技術(shù)通過隨機(jī)化場景的反射光，然后利用單像素記錄來工作。這種隨機(jī)化可以以各種方式完成，但是通常的方案是將光通過一種被稱為空間光調(diào)制器的數(shù)字陣列，顯示透明和不透明像素的隨機(jī)圖案。然后重復(fù)隨機(jī)化過程并再次記錄光場，多次重復(fù)整個過程以產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)點(diǎn)。

起初很難看出這是如何產(chǎn)生圖像的，畢竟，光場是隨機(jī)的。但數(shù)據(jù)點(diǎn)并非完全隨機(jī)。實(shí)際上，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)都與所有其他數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，因?yàn)樗鼈兌紒碜酝粋€原始場景。因此，通過找到這種相關(guān)性，就可以重新創(chuàng)建原始圖像。

事實(shí)證明，計(jì)算機(jī)科學(xué)家有各種算法可以進(jìn)行這種數(shù)字運(yùn)算。其結(jié)果是具有一定分辨率的圖像，分辨率取決于像素記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。數(shù)據(jù)越多，分辨率越高。

這可以直接應(yīng)用于太赫茲成像。到目前為止，創(chuàng)建2D圖像的唯一方法是使用太赫茲探測器陣列或來回掃描單個探測器以繪制光場。由于太赫茲探測器的尺寸較大，這兩種技術(shù)都不夠令人滿意。

但壓縮傳感提供了另一種選擇：使用單個太赫茲探測器通過隨機(jī)化太赫茲光的空間光調(diào)制器記錄多個數(shù)據(jù)點(diǎn)。這對于可見光和紅外光很有效，許多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地利用了這項(xiàng)技術(shù)。

不過，太赫茲波段帶來了一些額外的復(fù)雜問題。例如，因?yàn)樘掌澆ū裙獠ù髢傻饺齻€數(shù)量級，所以它們更容易發(fā)生衍射。這種效應(yīng)及其它問題引入的畸變，使圖像重建更加困難。Burger及其同事正致力于解決這種圖像重建的挑戰(zhàn)。

他們的研究成果令人印象深刻。該團(tuán)隊(duì)展示了顯著提高最終圖像質(zhì)量的各種技術(shù)?！盎趩蜗袼爻上竦膲嚎s傳感，具有減少太赫茲成像測量時間和工作量的巨大潛力，”他們說。

但是，未來還有挑戰(zhàn)。問題之一是處理一個以上太赫茲頻率構(gòu)成的圖像。這種分析特別重要，因?yàn)樗峁┝岁P(guān)于圖像中物質(zhì)化學(xué)組成的光譜信息，例如，結(jié)晶粉末到底是面粉還是某種毒品。

但這需要不同類型的成像掩模（mask）。因此，挑戰(zhàn)之一在于找到使用最少量掩模創(chuàng)建高光譜圖像的最佳方法。

盡管如此，Burger及其團(tuán)隊(duì)樂觀地認(rèn)為壓縮傳感有望快速發(fā)展并最終填補(bǔ)“太赫茲空隙”。