Une technique d'imagerie révolutionnaire utilise un seul pixel pour combler notre angle mort térahertz

Image originale : Méthodes de reconstruction en imagerie THz à pixel unique ; édité par la revue MIT Technology

À presque toutes les longueurs d'onde, les ingénieurs disposent d'antennes électromagnétiques capables de détecter et d'enregistrer les ondes et de créer des images exotiques du monde aux fréquences radio, micro-ondes, infrarouge, visible et rayons X.

Mais il y a un angle mort dans ce spectre. La technologie en est encore à ses balbutiements pour détecter les rayonnements d'une longueur d'onde comprise entre 1 et 0,3 millimètre et d'une fréquence d'environ un térahertz. L'équipement qui peut détecter un tel rayonnement est volumineux et coûteux et les images obtenues sont médiocres. D'où l'angle mort, que les ingénieurs ont appelé l'écart térahertz.

Une meilleure façon de capturer ces longueurs d'onde est désespérément nécessaire, notamment pour obtenir une nouvelle fenêtre sur l'univers.

Aujourd'hui, Martin Burger de l'Université de Munster en Allemagne et quelques collègues décrivent une nouvelle technique d'imagerie révolutionnaire - la détection compressée - qui devrait rendre cette partie du spectre électromagnétique plus accessible. L'application de la technique aux ondes térahertz est susceptible de changer la façon dont nous voyons notre monde et l'univers au-delà.

Tout d'abord, un peu de contexte. Les ondes térahertz traversent les vêtements mais pas la peau ou le métal. Si vos yeux pouvaient les capter, les gens apparaîtraient nus mais décorés de clés et de pièces de monnaie mais peut-être aussi de couteaux et de fusils. Ce type d'imagerie a donc des applications de sécurité importantes, sans parler des implications en matière de confidentialité.

Les fréquences térahertz sont difficiles à détecter car elles se situent sur le spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, et il existe une différence importante entre la manière dont ces types de rayonnement peuvent être détectés.

Les micro-ondes, comme les ondes radio, sont créées en accélérant une charge dans les deux sens à la fréquence requise, dans ce cas, jusqu'à environ 300 gigahertz. La détection des micro-ondes exploite le même processus en sens inverse.

En revanche, les ondes infrarouges, comme la lumière, sont créées en faisant sauter un électron dans un matériau approprié entre deux niveaux électroniques. Celui-ci génère de la lumière infrarouge lorsque l'énergie nécessaire pour effectuer le saut est équivalente à l'énergie d'un photon infrarouge. Le même processus en sens inverse peut également détecter les photons infrarouges.

Il est difficile de créer et de détecter des ondes térahertz car elles se situent au milieu où aucune des deux techniques ne fonctionne particulièrement bien. Il est difficile d'accélérer les charges à des fréquences térahertz. Et les matériaux avec la bande interdite requise pour créer des photons térahertz sont difficiles à trouver, et ceux qui se qualifient doivent souvent être refroidis à des températures cryogéniques. C'est pourquoi les détecteurs térahertz ont tendance à être encombrants, coûteux et difficiles à gérer.

Mais la détection compressée peut aider, disent Burger et co. Ces dernières années, cette technique a pris d'assaut le monde de l'imagerie car elle permet à un seul pixel d'enregistrer des images haute résolution, même en 3D.

La technique fonctionne en randomisant la lumière réfléchie d'une scène, puis en l'enregistrant à l'aide d'un seul pixel. La randomisation peut être effectuée de différentes manières, mais une approche courante consiste à faire passer la lumière à travers un réseau numérique appelé modulateur spatial de lumière qui affiche un motif aléatoire de pixels transparents et opaques. Le processus de randomisation est ensuite répété et le champ lumineux enregistré à nouveau, et l'ensemble du processus est répété plusieurs fois pour générer de nombreux points de données.

Au début, il est difficile de voir comment cela peut produire une image - après tout, le champ lumineux est aléatoire. Mais les points de données ne sont pas complètement aléatoires. En effet, chaque point de données est corrélé avec tous les autres car ils proviennent tous de la même source : la scène d'origine. Ainsi, en trouvant cette corrélation, il est possible de recréer l'image d'origine.

Il s'avère que les informaticiens ont une variété d'algorithmes qui peuvent faire ce genre de calcul. Et le résultat est une image avec une résolution qui dépend du nombre de points de données enregistrés par le pixel. Plus il y a de données, plus la résolution est élevée.

Cela a une application immédiate pour l'imagerie térahertz. Jusqu'à présent, la seule façon de créer une image 2D était d'utiliser un réseau de détecteurs térahertz ou de balayer un seul détecteur d'avant en arrière pour cartographier le champ lumineux. Aucune des deux techniques n'est satisfaisante en raison de la taille peu maniable des détecteurs térahertz.

Mais la détection compressée offre une alternative : utiliser un seul détecteur térahertz pour enregistrer plusieurs points de données via un modulateur spatial de lumière qui randomise la lumière térahertz. Cela fonctionne bien pour la lumière visible et infrarouge, et de nombreux groupes ont commencé à l'exploiter avec succès.

Cependant, la lumière térahertz introduit quelques complexités supplémentaires. Par exemple, parce que les ondes térahertz sont deux ou trois ordres de grandeur plus grandes que les ondes optiques, elles se diffractent plus facilement. Cet effet et d'autres introduisent des distorsions qui rendent la reconstruction de l'image beaucoup plus difficile. C'est ce défi de reconstruction d'image que Burger and co ont relevé.

Leurs résultats sont impressionnants. L'équipe montre comment diverses techniques peuvent améliorer considérablement la qualité des images obtenues. L'approche de détection compressée basée sur l'imagerie à un seul pixel a un grand potentiel pour réduire le temps et l'effort de mesure dans l'imagerie THz, disent-ils.

Cependant, il y a des défis à relever. Un problème réside dans le traitement d'images réalisées à partir de plus d'une fréquence de lumière térahertz. Ce type d'analyse est particulièrement important car il fournit des informations spectroscopiques sur la composition chimique du sujet dans l'image, par exemple, si une poudre cristalline est de la farine ou une sorte de médicament.

Mais cela nécessite différents types de masque. Un défi consiste donc à trouver le meilleur moyen de créer une image hyperspectrale en utilisant le plus petit nombre de masques.

Néanmoins, Burger et co sont optimistes sur le fait que la détection compressée permettra des progrès rapides pour enfin combler l'écart térahertz.

Réf : arxiv.org/abs/1903.08893 : Méthodes de reconstruction en imagerie à pixel unique THz

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