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T射线相机速度提升百倍以上
发布时间:2020-08-13 20:02:21 阅读:117

来源:科技报告与资讯

    科学家们距离开发出一种利用太赫兹辐射的快速和低成本相机又近了一步,有可能为它们在非侵入性安检和医疗检查中的应用提供机会。

    一个由华威大学物理系Emma Pickwell-MacPherson教授领导、香港中文大学科学家参与的研究小组,在开发单像素太赫兹成像技术用于生物医学和工业应用方面达到了一个关键的里程碑。

    他们的单像素太赫兹相机的采集速度比以前的最先进技术快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的应用所需的亚皮秒时间分辨率。

    这一突破已发表在《Nature Communications》杂志上。

    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的作用。另一个特点是T射线的低能光子是非电离的,因此在生物环境中,包括安全和医疗检查中非常安全。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,扰乱生物物质含水量的疾病,如皮肤癌,有可能在没有任何组织学标记的情况下,利用T-射线在体内被检测出来。

    在过去的25年里,在实验室环境中已经可以高效地检测和产生T射线。然而,THz技术仍然没有广泛用于商业环境,因为成本,稳定性和/或易用性仍然滞后于工业环境的商业应用。

    对于生物医学应用,很少进行临床试验,最主要的是由于设备不方便用户使用和成像太慢,由于需要测量多个太赫兹频率(为了准确诊断)。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产生大量费用。因此,我们必须探索替代目前现代智能手机的成像技术。

    来自华威大学物理系的Emma Pickwell-MacPherson教授说。"我们使用所谓的'单像素相机'来获得我们的图像。简而言之,我们对THz光束进行空间调制,并将这种光照射到一个物体上。然后,使用一个单元素探测器,我们记录下通过我们想要成像的物体透射(或反射)的光。我们不断地对许多不同的空间模式进行这样的操作,直到我们可以用数学方法重建物体的图像。"

    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,用于太赫兹体制的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元素探测器的设置,价格合理(约2万美元),坚固耐用,具有亚皮秒的时间分辨率(准确诊断所需),并在室温下运行。

    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速度比之前的最先进技术提高了100倍,以每秒6帧的速度采集32x32的视频。我们的做法是:首先确定最佳的调制几何,其次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的总次数。事实上,我们的部分工作表明,如果我们有足够的信噪比,我们可以达到5倍的采集速度。"

    研究人员此前已经开发了几种THz器件,包括利用全内反射几何形状在宽带频率范围内实现高MD的THz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成像的分辨率。未来的工作将集中在提高信噪比和优化准确医疗诊断所需的软件上,最终目标是将单像素THz成像用于体内癌症诊断。

    论文标题为《Real-time terahertz imaging with a single-pixel detector》。

 
 

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