Forskare är ett steg närmare att utveckla en snabb och kostnadseffektiv kamera som använder terahertzstrålning, potentiellt öppnar möjligheten för dem att användas i icke-invasiv säkerhet och medicinsk screening.

En forskargrupp ledd av professor Emma Pickwell-MacPherson från University of Warwick Department of Physics och involverar forskare från det kinesiska universitetet i Hong Kong har nått en avgörande milstolpe mot att utveckla enpixel terahertz-avbildningsteknik för användning i biomedicinska och industriella tillämpningar.

Deras enpixel terahertz-kamera nådde 100 gånger snabbare förvärv än den tidigare toppmoderna utan att lägga till några betydande kostnader för hela systemet eller offra den temporala upplösningen under pikosekunder som behövs för de mest eftertraktade applikationerna.

Genombrottet har publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Potentialerna och problemen med Terahertz-strålning

Terahertz (THz) strålning, eller T-strålar, sitta mellan infraröd och WiFi på det elektromagnetiska spektrumet. T-strålar har andra egenskaper än andra elektromagnetiska vågor, framför allt kan de se igenom många vanliga material som plast, keramik och kläder, vilket gör dem potentiellt användbara vid icke-invasiva inspektioner. En annan egenskap är att T-strålningens lågenergifotoner är icke-joniserande, vilket gör dem mycket säkra i biologiska miljöer inklusive säkerhet och medicinsk screening. De är också mycket känsliga för vatten och kan observera små förändringar i hydratiseringstillståndet hos biologiskt material. Detta innebär att sjukdomar som stör vatteninnehållet i biologiskt material, som hudcancer, kan potentiellt detekteras med hjälp av T-strålar in vivo utan några histologiska markörer.

Effektiv upptäckt och generering av T-strålar har varit möjligt i laboratoriemiljöer under de senaste 25 åren. Dock, THz-teknik används fortfarande inte i stor utsträckning i kommersiella miljöer eftersom kostnaden, robusthet och/eller användarvänlighet släpar fortfarande efter för kommersiell användning i industriella miljöer.

För biomedicinska tillämpningar, mycket få kliniska prövningar har utförts, framför allt på grund av att utrustningen inte är användarvänlig och att bildbehandlingen är för långsam på grund av behovet av att mäta flera terahertz-frekvenser (för noggrann diagnos). Till sist, utrustning och driftskostnader måste ligga inom sjukhusets budget. Som ett resultat, mycket forskning om terahertz-teknologi är för närvarande fokuserad på att utveckla utrustningen för att förbättra bildhastigheten, utan att minska diagnosnoggrannheten eller dra på sig stora kostnader. Som ett resultat, vi måste utforska alternativa bildtekniker till de som för närvarande används i moderna smarta telefoner.

Fördelarna med enpixelkameror

Professor Emma Pickwell-MacPherson, från Institutionen för fysik vid University of Warwick, sa:"Vi använder vad som kallas "en enpixelkamera" för att få våra bilder. Kort sagt, vi spatialt modulerar THz-strålen och lyser detta ljus på ett objekt. Sedan, använder en enelementsdetektor, vi registrerar ljuset som transmitteras (eller reflekteras) genom objektet vi vill avbilda. Vi fortsätter att göra detta för många olika rumsliga mönster tills vi matematiskt kan rekonstruera en bild av vårt objekt."

Forskarna måste fortsätta att ändra formen på THz-strålen många gånger, vilket innebär att denna metod vanligtvis är långsammare jämfört med flerpixeldetektorer. Dock, multi-pixel arrays för terahertz-regimen saknar vanligtvis sub-picosecond temporal upplösning, kräva kryogena temperaturer för att fungera eller ådra sig stora utrustningskostnader (> 350 USD, 000). Installationen utvecklad av Warwick-teamet, som är baserad på en enelementsdetektor, är rimligt prissatt (~20 USD, 000), robust, har sub-pikosekunders temporal upplösning (behövs för korrekt diagnos) och fungerar vid rumstemperatur.

Professor Pickwell-MacPherson tillägger:"Vårt senaste arbete förbättrar anskaffningshastigheten för enpixel terahertzkameror med en faktor 100 från den tidigare toppmoderna, skaffa en 32x32 video med 6 bilder per sekund. Vi gör detta genom att först bestämma den optimala moduleringsgeometrin, för det andra genom att modellera det tidsmässiga svaret hos vårt bildsystem för förbättring av signal-till-brus, och för det tredje genom att minska det totala antalet mätningar med komprimerade avkänningstekniker. Faktiskt, en del av vårt arbete visar att vi kan nå en fem gånger snabbare förvärvshastighet om vi har tillräckligt signal-brusförhållande."

Forskarna har tidigare utvecklat flera THz-enheter inklusive THz-modulatorer som använder den totala interna reflektionsgeometrin för att uppnå höga MDs över ett bredbandsfrekvensområde och en ny metod för amplitud- och fasmodulering som utnyttjar Brewster-vinkeln. De arbetar också med att förbättra upplösningen för enpixel THz-avbildning genom signalbehandlingsmetoder. Framtida arbete kommer att fokusera på att förbättra signal-till-brus och optimera programvaran som behövs för korrekt medicinsk diagnos, med det slutliga målet att använda en pixel THz-avbildning för in vivo-cancerdiagnos.