让基于太赫兹射线照相机的成像速度提高100倍

科学家们距离开发一种利用太赫兹辐射的快速且经济有效的照相机又近了一步，这可能为非侵入性安全和医学检查中的潜在应用开启了新的机会。

由华威大学物理系的Emma Pickwell MacPherson教授和来自中国香港大学的科学家领导的一个研究小组，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已经达到了一个重要的里程碑。

他们的单像素太赫兹相机的采集速度是之前最先进技术的100倍，而不会增加整个系统的成本，也不会牺牲最受追捧的应用所需的亚皮秒时间分辨率。

太赫兹辐射的潜力和问题

太赫兹（THz）辐射，即T射线，位于电磁频谱的红外和WiFi之间。T射线有着不同于其他电磁波的特性，最显著的是它们可以穿透许多常见的材料，如塑料、陶瓷和衣服，这使得它们在非侵入性检查中有潜在的用途。另一个特点是T射线的低能光子是非电离的，这使得它们在生物环境中非常安全，包括安全和医学检查。它们对水也高度敏感，能观察到生物物质水合状态的细微变化。这意味着，在没有任何组织学标记的情况下，可以使用体内的T射线检测到扰乱生物物质含水量的疾病，例如皮肤癌。

在过去的25年里，在实验室环境中有效的检测和产生T射线是可能的。然而，由于THz技术在成本、鲁棒性和/或易用性方面仍落后于工业环境中的商业应用，因此THz技术在商业环境中的应用仍不广泛。

对于生物医学应用，很少进行临床试验，最显著的原因是设备不友好，成像速度太慢，因为需要测量多个太赫兹频率（用于准确诊断）。最后，设备和运行成本需要在医院预算之内。因此，目前许多关于太赫兹技术的研究都集中在开发能够提高成像速度的设备上，而不降低诊断的准确性或产生很大的成本。因此，我们必须探索现代智能手机中目前使用的成像技术。

单像素相机的优点

华威大学物理系的艾玛·皮克韦尔·麦克弗森（Emma Pickwell-MacPherson）教授说：“我们使用所谓的‘单像素照相机’来获取图像。简言之，我们在空间上调制太赫兹光束并将其照射到物体上。然后，使用单元素探测器，记录通过我们想要成像的物体透射（或反射）的光。我们一直在为许多不同的空间模式做这项工作，直到我们能够用数学方法重建我们的物体的图像。”

研究人员不得不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慢。然而，用于太赫兹波段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，或者需要大量设备成本（>350000美元）。Warwick团队开发的装置基于单元件探测器，价格合理（约20000美元），坚固耐用，具有亚皮秒的时间分辨率（精确诊断所需），并在室温下运行。

皮克韦尔·麦克弗森（Pickwell-MacPherson）教授补充道：“我们的最新研究将单像素太赫兹相机的采集率提高了100倍，以每秒6帧的速度获得了32x32的视频。为此，我们首先确定最佳调制几何结构，其次对成像系统的时间响应进行建模，以改善信噪比，然后通过压缩传感技术减少测量的总次数。事实上，我们的一部分工作表明，如果我们有足够的信噪比，我们可以达到5倍的捕获速度。”

研究人员先前已经开发了几种太赫兹器件，包括利用全内反射几何结构实现宽带高的太赫兹调制器，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，最终目标是将单像素太赫兹成像用于体内癌症诊断。

原文来源：https://phys.org/news/2020-07-t-ray-camera-boosted.html