Wetenschappers zijn een stap dichter bij de ontwikkeling van een snelle en kosteneffectieve camera die gebruikmaakt van terahertz-straling, mogelijk de mogelijkheid voor hen openen om te worden gebruikt bij niet-invasieve beveiligings- en medische screening.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Emma Pickwell-MacPherson van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick en met medewerking van wetenschappers van de Chinese Universiteit van Hong Kong heeft een cruciale mijlpaal bereikt in de richting van de ontwikkeling van single-pixel terahertz-beeldvormingstechnologie voor gebruik in biomedische en industriële toepassingen.

Hun terahertz-camera met één pixel bereikte een 100 keer snellere acquisitie dan de vorige state-of-the-art zonder noemenswaardige kosten voor het hele systeem of de sub-picoseconde temporele resolutie die nodig is voor de meest gewilde toepassingen.

De doorbraak is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De mogelijkheden en problemen van Terahertz-straling

Terahertz (THz) straling, of T-stralen, zit tussen infrarood en wifi op het elektromagnetische spectrum. T-stralen hebben andere eigenschappen dan andere elektromagnetische golven, met name kunnen ze door veel gewone materialen heen kijken, zoals plastic, keramiek en kleding, waardoor ze potentieel nuttig zijn bij niet-invasieve inspecties. Een andere eigenschap is dat de laagenergetische fotonen van T-stralen niet-ioniserend zijn, waardoor ze zeer veilig zijn in biologische omgevingen, inclusief beveiliging en medische screening. Ze zijn ook zeer gevoelig voor water en kunnen minieme veranderingen in de hydratatietoestand van biologisch materiaal waarnemen. Dit betekent dat ziekten die het watergehalte van biologisch materiaal verstoren, zoals huidkanker, kan mogelijk worden gedetecteerd met behulp van T-stralen in vivo zonder histologische markers.

Efficiënte detectie en generatie van T-stralen is al 25 jaar mogelijk in laboratoriumomgevingen. Echter, THz-technologie wordt nog steeds niet veel gebruikt in commerciële omgevingen omdat de kosten, robuustheid en/of gebruiksgemak blijven nog steeds achter bij commerciële acceptatie in industriële omgevingen.

Voor biomedische toepassingen, Er zijn zeer weinig klinische onderzoeken uitgevoerd, met name omdat de apparatuur niet gebruiksvriendelijk is en de beeldvorming te traag is vanwege de noodzaak om meerdere terahertz-frequenties te meten (voor een nauwkeurige diagnose). Eindelijk, apparatuur en bedrijfskosten moeten binnen de ziekenhuisbudgetten blijven. Als resultaat, veel onderzoek naar terahertz-technologie is momenteel gericht op het ontwikkelen van de apparatuur om de beeldsnelheid te verbeteren, zonder de nauwkeurigheid van de diagnose te verminderen of hoge kosten te maken. Als resultaat, we moeten alternatieve beeldvormingstechnieken onderzoeken die momenteel worden gebruikt in moderne smartphones.

De voordelen van camera's met één pixel

Professor Emma Pickwell-MacPherson, van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Warwick, zei:"We gebruiken een zogenaamde 'single-pixel camera' om onze beelden te verkrijgen. Kortom, we moduleren de THz-straal ruimtelijk en schijnen dit licht op een object. Vervolgens, met behulp van een detector met één element, we registreren het licht dat wordt doorgelaten (of gereflecteerd) door het object dat we willen afbeelden. We blijven dit doen voor veel verschillende ruimtelijke patronen totdat we wiskundig een afbeelding van ons object kunnen reconstrueren."

De onderzoekers moeten de vorm van de THz-straal vele malen blijven veranderen, wat betekent dat deze methode meestal langzamer is in vergelijking met multi-pixel detectorarrays. Echter, multi-pixel arrays voor het terahertz regime missen meestal sub-picoseconde temporele resolutie, vereisen cryogene temperaturen om te werken of maken hoge apparatuurkosten (> $ 350, 000). De opstelling ontwikkeld door het Warwick-team, die is gebaseerd op een detector met één element, is redelijk geprijsd (~ US $ 20, 000), robuust, heeft een temporele resolutie van minder dan een seconde (nodig voor een nauwkeurige diagnose) en werkt bij kamertemperatuur.

Professor Pickwell-MacPherson voegt toe:"Ons nieuwste werk verbetert de acquisitiesnelheid van terahertz-camera's met één pixel met een factor 100 ten opzichte van de vorige state-of-the-art, het verwerven van een 32x32-video met 6 frames per seconde. Dit doen we door eerst de optimale modulatiegeometrie te bepalen, ten tweede door de temporele respons van ons beeldvormingssysteem te modelleren voor verbetering van signaal-ruis, en ten derde door het totale aantal metingen met gecomprimeerde meettechnieken te verminderen. In feite, een deel van ons werk laat zien dat we een vijf keer snellere acquisitiesnelheid kunnen bereiken als we voldoende signaal-ruisverhouding hebben."

De onderzoekers hebben eerder verschillende THz-apparaten ontwikkeld, waaronder THz-modulators die gebruik maken van de totale interne reflectiegeometrie om hoge MD's te bereiken over een breedbandfrequentiebereik en een nieuwe benadering voor amplitude- en fasemodulatie waarbij gebruik wordt gemaakt van de Brewster-hoek. Ze werken ook aan het verbeteren van de resolutie van THz-beeldvorming met één pixel door middel van signaalverwerkingsbenaderingen. Toekomstige werkzaamheden zullen gericht zijn op het verbeteren van de signaal-ruisverhouding en het optimaliseren van de software die nodig is voor een nauwkeurige medische diagnose, met als uiteindelijk doel het gebruik van THz-beeldvorming met één pixel voor in vivo kankerdiagnose.