Eine revolutionäre Bildgebungstechnik verwendet ein einzelnes Pixel, um unseren toten Winkel im Terahertz-Bereich zu füllen

Originalbild: Rekonstruktionsverfahren in der THz-Einzelpixel-Bildgebung; bearbeitet von MIT Technology Review

Bei fast jeder Wellenlänge verfügen Ingenieure über elektromagnetische Antennen, die die Wellen erkennen und aufzeichnen und exotische Bilder der Welt bei Radio-, Mikrowellen-, Infrarot-, sichtbaren und Röntgenfrequenzen erstellen können.

Aber es gibt einen blinden Fleck in diesem Spektrum. Noch steckt die Technologie in den Kinderschuhen, um Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1 und 0,3 Millimetern und einer Frequenz von etwa einem Terahertz nachzuweisen. Die Ausrüstung, die solche Strahlung erkennen kann, ist sperrig und teuer, und die resultierenden Bilder sind schlecht. Daher der blinde Fleck, den Ingenieure als Terahertz-Lücke bezeichnet haben.

Eine bessere Möglichkeit, diese Wellenlängen einzufangen, wird dringend benötigt, nicht zuletzt, um ein neues Fenster ins Universum zu öffnen.

Heute beschreiben Martin Burger von der Universität Münster in Deutschland und einige Kollegen eine revolutionäre neue Bildgebungstechnik – Compressed Sensing – die diesen Teil des elektromagnetischen Spektrums zugänglicher machen soll. Die Anwendung der Technik auf Terahertzwellen wird wahrscheinlich die Art und Weise verändern, wie wir unsere Welt und das Universum dahinter sehen.

Zunächst etwas Hintergrund. Terahertz-Wellen durchdringen Kleidung, aber nicht Haut oder Metall. Wenn man sie sehen könnte, würden die Menschen nackt erscheinen, aber mit Schlüsseln und Münzen, aber vielleicht auch mit Messern und Gewehren geschmückt. Diese Art der Bildgebung hat also erhebliche Sicherheitsanwendungen, ganz zu schweigen von den Auswirkungen auf den Datenschutz.

Terahertz-Frequenzen sind schwer zu erkennen, da sie im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegen, und es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen der Art und Weise, wie diese Arten von Strahlung erkannt werden können.

Mikrowellen werden wie Radiowellen erzeugt, indem eine Ladung mit der erforderlichen Frequenz hin und her beschleunigt wird – in diesem Fall bis zu etwa 300 Gigahertz. Die Detektion von Mikrowellen nutzt den gleichen Prozess in umgekehrter Richtung.

Im Gegensatz dazu werden Infrarotwellen wie Licht dadurch erzeugt, dass ein Elektron in einem geeigneten Material zwischen zwei elektronischen Niveaus springt. Dieser erzeugt Infrarotlicht, wenn die für den Sprung benötigte Energie der Energie eines Infrarotphotons entspricht. Derselbe umgekehrte Vorgang kann auch Infrarotphotonen nachweisen.

Das Erzeugen und Erkennen von Terahertzwellen ist schwierig, weil sie in der Mitte sitzen, wo keine der beiden Techniken besonders gut funktioniert. Es ist schwierig, Ladungen bei Terahertz-Frequenzen zu beschleunigen. Und Materialien mit der erforderlichen Bandlücke zur Erzeugung von Terahertz-Photonen sind schwer zu finden, und die geeigneten müssen oft auf kryogene Temperaturen gekühlt werden. Aus diesem Grund sind Terahertz-Detektoren in der Regel sperrig, teuer und schwer zu verwalten.

Aber Compressed Sensing kann helfen, sagen Burger und Co. In den letzten Jahren hat diese Technik die Welt der Bildgebung im Sturm erobert, da sie es ermöglicht, mit einem einzigen Pixel hochauflösende Bilder sogar in 3-D aufzunehmen.

Die Technik funktioniert, indem sie das reflektierte Licht einer Szene randomisiert und dann mit einem einzigen Pixel aufzeichnet. Die Randomisierung kann auf verschiedene Weise erfolgen, aber ein üblicher Ansatz besteht darin, das Licht durch ein digitales Array zu leiten, das als räumlicher Lichtmodulator bezeichnet wird und ein zufälliges Muster aus transparenten und undurchsichtigen Pixeln anzeigt. Der Randomisierungsprozess wird dann wiederholt und das Lichtfeld erneut aufgezeichnet, und der gesamte Prozess wird viele Male wiederholt, um viele Datenpunkte zu erzeugen.

Zunächst ist schwer vorstellbar, wie daraus ein Bild entstehen kann – schließlich ist das Lichtfeld randomisiert. Aber die Datenpunkte sind nicht völlig zufällig. Tatsächlich ist jeder Datenpunkt mit allen anderen korreliert, da sie alle aus derselben Quelle stammen – der Originalszene. Durch Auffinden dieser Korrelation ist es also möglich, das Originalbild wiederherzustellen.

Es stellt sich heraus, dass Informatiker über eine Vielzahl von Algorithmen verfügen, die diese Art von Zahlenverarbeitung durchführen können. Und das Ergebnis ist ein Bild mit einer Auflösung, die von der Anzahl der vom Pixel aufgezeichneten Datenpunkte abhängt. Je mehr Daten, desto höher die Auflösung.

Das hat unmittelbare Anwendung für die Terahertz-Bildgebung. Bisher war die einzige Möglichkeit, ein 2-D-Bild zu erstellen, die Verwendung einer Reihe von Terahertz-Detektoren oder das Hin- und Herscannen eines einzelnen Detektors, um das Lichtfeld abzubilden. Wegen der unhandlichen Größe von Terahertz-Detektoren ist keine der Techniken zufriedenstellend.

Compressed Sensing bietet jedoch eine Alternative: die Verwendung eines einzelnen Terahertz-Detektors zur Aufzeichnung mehrerer Datenpunkte durch einen räumlichen Lichtmodulator, der das Terahertz-Licht randomisiert. Das funktioniert gut für sichtbares und infrarotes Licht, und zahlreiche Gruppen haben damit begonnen, es erfolgreich zu nutzen.

Terahertz-Licht bringt jedoch einige zusätzliche Komplexitäten mit sich. Da beispielsweise Terahertz-Wellen zwei oder drei Größenordnungen größer sind als optische Wellen, werden sie leichter gebeugt. Dieser Effekt und andere führen zu Verzerrungen, die die Bildrekonstruktion erheblich erschweren. Dieser Herausforderung der Bildrekonstruktion haben sich Burger und Co. gestellt.

Ihre Ergebnisse sind beeindruckend. Das Team zeigt, wie verschiedene Techniken die Qualität der resultierenden Bilder erheblich verbessern können. Der Compressed-Sensing-Ansatz, der auf Einzelpixel-Bildgebung basiert, hat großes Potenzial, Messzeit und -aufwand bei der THz-Bildgebung zu verringern, sagen sie.

Es stehen jedoch Herausforderungen bevor. Ein Problem besteht im Umgang mit Bildern, die aus mehr als einer Frequenz von Terahertz-Licht gemacht wurden. Diese Art der Analyse ist besonders wichtig, da sie spektroskopische Informationen über die chemische Zusammensetzung des Objekts im Bild liefert – zum Beispiel, ob ein kristallines Pulver Mehl oder eine Art Droge ist.

Dies erfordert jedoch unterschiedliche Arten von Masken. Eine Herausforderung besteht also darin, den besten Weg zu finden, um ein hyperspektrales Bild mit der kleinsten Anzahl von Masken zu erstellen.

Nichtsdestotrotz sind Burger und Co. optimistisch, dass die komprimierte Sensorik schnelle Fortschritte bei der endgültigen Schließung der Terahertz-Lücke ermöglichen wird.

Ref: arxiv.org/abs/1903.08893 : Rekonstruktionsverfahren in der THz-Einzelpixelbildgebung

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