Una tecnica di imaging rivoluzionaria utilizza un singolo pixel per riempire il nostro punto cieco terahertz

Immagine originale: metodi di ricostruzione nell'imaging a pixel singolo THz; a cura di MIT Technology review

A quasi ogni lunghezza d'onda, gli ingegneri hanno antenne elettromagnetiche in grado di rilevare e registrare le onde e creare immagini esotiche del mondo a frequenze radio, microonde, infrarossi, visibili e raggi X.

Ma c'è un punto cieco in questo spettro. La tecnologia è ancora agli inizi per rilevare radiazioni con una lunghezza d'onda compresa tra 1 e 0,3 millimetri e una frequenza di circa un terahertz. L'apparecchiatura in grado di rilevare tali radiazioni è ingombrante e costosa e le immagini risultanti sono scadenti. Da qui il punto cieco, che gli ingegneri hanno chiamato gap terahertz.

Un modo migliore per catturare queste lunghezze d'onda è disperatamente necessario, non ultimo per ottenere una nuova finestra sull'universo.

Oggi Martin Burger dell'Università di Munster in Germania e alcuni colleghi descrivono una nuova tecnica rivoluzionaria di imaging, il rilevamento compresso, che renderà più accessibile questa parte dello spettro elettromagnetico. È probabile che l'applicazione della tecnica alle onde terahertz cambi il modo in cui vediamo il nostro mondo e l'universo al di là.

Innanzitutto, un po' di background. Le onde terahertz passano attraverso i vestiti ma non attraverso la pelle o il metallo. Se i tuoi occhi potessero raccoglierli, le persone apparirebbero nude ma decorate con chiavi e monete ma forse anche coltelli e pistole. Quindi questo tipo di imaging ha importanti applicazioni di sicurezza, per non parlare delle implicazioni sulla privacy.

Le frequenze terahertz sono difficili da rilevare perché si trovano sullo spettro elettromagnetico tra le microonde e la luce infrarossa e c'è un'importante differenza nel modo in cui questi tipi di radiazioni possono essere rilevati.

Le microonde, come le onde radio, sono prodotte accelerando una carica avanti e indietro alla frequenza richiesta, in questo caso fino a circa 300 gigahertz. Il rilevamento delle microonde sfrutta lo stesso processo al contrario.

Al contrario, le onde infrarosse, come la luce, sono prodotte facendo saltare un elettrone in un materiale adatto tra due livelli elettronici. Questo genera luce infrarossa quando l'energia richiesta per fare il salto è equivalente all'energia di un fotone infrarosso. Lo stesso processo al contrario può anche rilevare fotoni infrarossi.

Creare e rilevare onde terahertz è difficile perché si trovano nel mezzo dove nessuna delle due tecniche funziona particolarmente bene. È difficile accelerare le cariche a frequenze terahertz. E i materiali con il gap di banda richiesto per creare fotoni terahertz sono difficili da trovare e quelli che si qualificano spesso devono essere raffreddati a temperature criogeniche. Ecco perché i rilevatori terahertz tendono ad essere ingombranti, costosi e difficili da gestire.

Ma il rilevamento compresso può aiutare, affermano Burger e co. Negli ultimi anni, questa tecnica ha preso d'assalto il mondo dell'imaging perché consente a un singolo pixel di registrare immagini ad alta risoluzione, anche in 3-D.

La tecnica funziona randomizzando la luce riflessa da una scena e quindi registrandola utilizzando un singolo pixel. La randomizzazione può essere eseguita in vari modi, ma un approccio comune consiste nel far passare la luce attraverso un array digitale chiamato modulatore di luce spaziale che mostra uno schema casuale di pixel trasparenti e opachi. Il processo di randomizzazione viene quindi ripetuto e il campo luminoso registrato di nuovo e l'intero processo viene ripetuto molte volte per generare molti punti dati.

All'inizio è difficile vedere come questo possa produrre un'immagine, dopo tutto, il campo luminoso è randomizzato. Ma i punti dati non sono completamente casuali. In effetti, ogni punto dati è correlato a tutti gli altri perché provengono tutti dalla stessa fonte: la scena originale. Quindi, trovando questa correlazione, è possibile ricreare l'immagine originale.

Si scopre che gli informatici hanno una varietà di algoritmi in grado di eseguire questo tipo di elaborazione numerica. E il risultato è un'immagine con una risoluzione che dipende dal numero di punti dati registrati dal pixel. Maggiore è il numero di dati, maggiore è la risoluzione.

Che ha un'applicazione immediata per l'imaging terahertz. Finora, l'unico modo per creare un'immagine 2D era utilizzare una serie di rivelatori terahertz o scansionare un singolo rivelatore avanti e indietro per mappare il campo luminoso. Nessuna delle due tecniche è soddisfacente a causa delle dimensioni ingombranti dei rivelatori terahertz.

Ma il rilevamento compresso offre un'alternativa: utilizzare un singolo rivelatore terahertz per registrare più punti dati attraverso un modulatore di luce spaziale che randomizza la luce terahertz. Funziona bene per la luce visibile e infrarossa e numerosi gruppi hanno iniziato a sfruttarla con successo.

Tuttavia, la luce terahertz introduce alcune complessità aggiuntive. Ad esempio, poiché le onde terahertz sono due o tre ordini di grandezza più grandi delle onde ottiche, si diffrangono più facilmente. Questo effetto e altri introducono distorsioni che rendono molto più difficile la ricostruzione dell'immagine. È questa sfida di ricostruzione dell'immagine che Burger e compagni hanno affrontato.

I loro risultati sono impressionanti. Il team mostra come varie tecniche possono migliorare significativamente la qualità delle immagini risultanti. L'approccio di rilevamento compresso basato sull'imaging a pixel singolo ha un grande potenziale per ridurre il tempo e lo sforzo di misurazione nell'imaging THz, affermano.

Tuttavia, ci sono sfide da affrontare. Un problema riguarda le immagini composte da più di una frequenza di luce terahertz. Questo tipo di analisi è particolarmente importante perché fornisce informazioni spettroscopiche sulla composizione chimica del soggetto nell'immagine, ad esempio se una polvere cristallina è farina o un qualche tipo di droga.

Ma questo richiede diversi tipi di maschera. Quindi una sfida è trovare il modo migliore per creare un'immagine iperspettrale utilizzando il minor numero di maschere.

Tuttavia, Burger e compagni sono ottimisti sul fatto che il rilevamento compresso consentirà rapidi progressi nel colmare finalmente il divario di terahertz.

Rif: arxiv.org/abs/1903.08893 : Metodi di ricostruzione nell'imaging a pixel singolo THz

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