Una técnica de imagen revolucionaria utiliza un solo píxel para llenar nuestro punto ciego de terahercios

Imagen original: métodos de reconstrucción en THz Imágenes de un solo píxel; editado por MIT Technology review

En casi todas las longitudes de onda, los ingenieros tienen antenas electromagnéticas que pueden detectar y registrar las ondas y crear imágenes exóticas del mundo en frecuencias de radio, microondas, infrarrojos, visibles y de rayos X.

Pero hay un punto ciego en este espectro. La tecnología aún está en pañales para detectar radiación con una longitud de onda de entre 1 y 0,3 milímetros y una frecuencia de alrededor de un terahercio. El equipo que puede detectar tal radiación es voluminoso y costoso y las imágenes resultantes son malas. De ahí el punto ciego, que los ingenieros han llamado brecha de terahercios.

Se necesita desesperadamente una mejor manera de capturar estas longitudes de onda, sobre todo para obtener una nueva ventana al universo.

Hoy, Martin Burger, de la Universidad de Munster en Alemania, y algunos colegas describen una nueva y revolucionaria técnica de imagen, la detección comprimida, que está configurada para hacer que esta parte del espectro electromagnético sea más accesible. Es probable que la aplicación de la técnica a las ondas de terahercios cambie la forma en que vemos nuestro mundo y el universo más allá.

Primero, algunos antecedentes. Las ondas de terahercios atraviesan la ropa, pero no la piel ni el metal. Si sus ojos pudieran captarlos, las personas aparecerían desnudas pero decoradas con llaves y monedas, pero quizás también con cuchillos y pistolas. Así que este tipo de imágenes tiene importantes aplicaciones de seguridad, sin mencionar las implicaciones de privacidad.

Las frecuencias de terahercios son difíciles de detectar porque se encuentran en el espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja, y existe una diferencia importante entre la forma en que se pueden detectar estos tipos de radiación.

Las microondas, como las ondas de radio, se crean acelerando una carga de un lado a otro a la frecuencia requerida, en este caso, hasta unos 300 gigahercios. La detección de microondas explota el mismo proceso a la inversa.

Por el contrario, las ondas infrarrojas, como la luz, se forman al hacer que un electrón en un material adecuado salte entre dos niveles electrónicos. Este genera luz infrarroja cuando la energía necesaria para dar el salto es equivalente a la energía de un fotón infrarrojo. El mismo proceso a la inversa también puede detectar fotones infrarrojos.

Hacer y detectar ondas de terahercios es difícil porque se ubican en el medio donde ninguna técnica funciona particularmente bien. Es difícil acelerar cargas a frecuencias de terahercios. Y los materiales con la banda prohibida requerida para crear fotones de terahercios son difíciles de encontrar, y aquellos que califican a menudo tienen que ser enfriados a temperaturas criogénicas. Es por eso que los detectores de terahercios tienden a ser voluminosos, costosos y difíciles de manejar.

Pero la detección comprimida puede ayudar, dicen Burger y compañía. En los últimos años, esta técnica ha arrasado en el mundo de las imágenes porque permite que un solo píxel grabe imágenes de alta resolución, incluso en 3-D.

La técnica funciona al aleatorizar la luz reflejada de una escena y luego grabarla usando un solo píxel. La aleatorización se puede hacer de varias maneras, pero un enfoque común es pasar la luz a través de una matriz digital llamada modulador de luz espacial que muestra un patrón aleatorio de píxeles transparentes y opacos. Luego se repite el proceso de aleatorización y se vuelve a registrar el campo de luz, y todo el proceso se repite muchas veces para generar muchos puntos de datos.

Al principio es difícil ver cómo esto puede producir una imagen; después de todo, el campo de luz es aleatorio. Pero los puntos de datos no son completamente aleatorios. De hecho, cada punto de datos está correlacionado con todos los demás porque todos provienen de la misma fuente: la escena original. Entonces, al encontrar esta correlación, es posible recrear la imagen original.

Resulta que los informáticos tienen una variedad de algoritmos que pueden hacer este tipo de cálculos numéricos. Y el resultado es una imagen con una resolución que depende de la cantidad de puntos de datos registrados por el píxel. A más datos, mayor resolución.

Eso tiene una aplicación inmediata para imágenes de terahercios. Hasta ahora, la única forma de crear una imagen en 2D era usar una matriz de detectores de terahercios o escanear un solo detector de un lado a otro para mapear el campo de luz. Ninguna técnica es satisfactoria debido al tamaño difícil de manejar de los detectores de terahercios.

Pero la detección comprimida ofrece una alternativa: usar un solo detector de terahercios para registrar múltiples puntos de datos a través de un modulador de luz espacial que aleatoriza la luz de terahercios. Eso funciona bien para la luz visible e infrarroja, y numerosos grupos han comenzado a explotarlo con éxito.

Sin embargo, la luz de terahercios presenta algunas complejidades adicionales. Por ejemplo, debido a que las ondas de terahercios son dos o tres órdenes de magnitud más grandes que las ondas ópticas, se difractan más fácilmente. Este efecto y otros introducen distorsiones que dificultan mucho la reconstrucción de la imagen. Burger y compañía han asumido este desafío de reconstrucción de imágenes.

Sus resultados son impresionantes. El equipo muestra cómo varias técnicas pueden mejorar significativamente la calidad de las imágenes resultantes. El enfoque de detección comprimida basado en imágenes de un solo píxel tiene un gran potencial para disminuir el tiempo y el esfuerzo de medición en imágenes THz, dicen.

Sin embargo, hay desafíos por delante. Un problema es tratar con imágenes hechas con más de una frecuencia de luz de terahercios. Este tipo de análisis es particularmente importante porque brinda información espectroscópica sobre la composición química del sujeto en la imagen, por ejemplo, si un polvo cristalino es harina o algún tipo de droga.

Pero esto requiere diferentes tipos de máscara. Entonces, un desafío es encontrar la mejor manera de crear una imagen hiperespectral utilizando la menor cantidad de máscaras.

No obstante, Burger y compañía son optimistas de que la detección comprimida permitirá un progreso rápido para cerrar finalmente la brecha de terahercios.

Ref: arxiv.org/abs/1903.08893 : Métodos de reconstrucción en imágenes de un solo píxel de THz

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