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T-ray相机速度提高了100倍

科学家们离开发一种利用太赫兹辐射的快速而经济的照相机又近了一步,这可能为它们在非侵入性安全和医疗筛查上的应用打开了机会。

华威大学物理系的Emma Pickwell-MacPherson教授带领的研究小组,由香港中文大学的科学家参与,在开发用于生物医学和工业应用的单像素太赫兹成像技术方面,取得了重要的里程碑。

他们的单像素太赫兹相机达到了100倍的速度,比之前的最先进的,没有增加任何重大的成本,整个系统或牺牲亚皮秒的时间分辨率,为最受欢迎的应用程序。

这项突破已经发表在《自然通讯》杂志上。

太赫兹辐射的潜力和问题

太赫兹(THz)辐射,或称t射线,在电磁频谱上介于红外线和WiFi之间。t射线与其他电磁波有不同的特性,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,这使它们在非侵入性检查中具有潜在的用途。另一个特点是,t射线的低能量光子是非电离的,这使得它们在包括安全和医疗检查在内的生物环境中非常安全。它们对水也非常敏感,可以观察到生物物质水化状态的微小变化。这意味着,在没有任何组织学标记的情况下,可以使用t射线在体内检测干扰生物物质水分含量的疾病,如皮肤癌。

在过去的25年里,在实验室环境中能够有效地探测和产生t射线。然而,THz技术仍然没有在商业环境中得到广泛应用,因为在工业环境中,其成本、健壮性和/或易用性仍然落后于商业应用。

在生物医学应用方面,很少进行临床试验,最显著的原因是由于设备不便于使用,而且由于需要测量多太赫兹频率(为了精确诊断),成像速度太慢。最后,设备和运行成本必须在医院预算之内。因此,许多太赫兹技术的研究目前都集中在开发设备,以提高成像速度,而不降低诊断的准确性或带来巨大的成本。因此,我们必须探索替代目前在现代智能手机中使用的成像技术。

单像素相机的优点

Warwick大学物理系的Emma Pickwell-MacPherson教授说:“我们使用所谓的‘单像素相机’来获取图像。简而言之,我们对THz光束进行空间调制并将其照射到物体上。然后,使用单元素探测器,我们记录通过我们想要成像的物体透射(或反射)的光。我们对许多不同的空间模式一直这样做,直到我们能够用数学方法重建物体的图像。”

研究人员必须多次改变太赫兹光束的形状,这意味着这种方法通常比多像素探测器阵列要慢。然而,太赫兹范围内的多像素阵列通常缺乏亚皮秒的时间分辨率,需要低温才能运行,或需要支付大型设备费用(> 35万美元)。华威团队开发的装置基于单元素探测器,价格合理(约2万美元),性能稳健,具有亚皮秒的时间分辨率(精确诊断所需),并在室温下运行。

Pickwell-MacPherson教授补充说:“我们的最新工作将单像素太赫兹相机的捕获率提高了100倍,以每秒6帧的速度获取32x32的视频。我们首先确定最优调制几何,其次通过建模我们的成像系统的时间响应来改善信噪比,第三通过压缩感知技术减少测量的总数。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倍快的捕获率。”

研究人员之前已经开发了几个太赫兹器件,包括利用全内反射几何实现跨宽带频率范围高MDs的太赫兹调制器,以及利用布鲁斯特角实现振幅和相位调制的新方法。他们还致力于通过信号处理方法提高单像素太赫兹成像的分辨率。未来的工作将集中在改善信噪比和优化精确医疗诊断所需的软件,最终目标是使用单像素太赫兹成像进行体内癌症诊断。

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