利用液晶空间光调制器实现双色太赫兹压缩感知成像

研究背景

太赫兹波是介于红外与毫米波之间，尚未充分利用的电磁频谱。由于太赫兹波与物质的相互作用，如分子转动、自旋波等，许多材料存在指纹谱特征。获取太赫兹频段的光谱空间信息，在生物医学诊断、制药工业和安全检查等领域具有巨大的应用潜力。目前，尽管相干探测器阵列和太赫兹时域光谱成像技术等太赫兹光谱成像技术取得了一定发展，复杂的系统和高昂的成本限制了这些技术的广泛应用。

近年来，基于压缩感知的计算成像技术得到了广泛研究。它通过空间光调制器对光场进行编码，结合压缩感知算法对单像素探测器采集的信号进行计算重建。在太赫兹频段，压缩感知成像技术降低了太赫兹光谱成像的门槛和成本。太赫兹空间光调制器是压缩感知成像系统的关键部件。近年来，基于超表面的太赫兹空间光调制器涌现出来，在太赫兹压缩感知成像中展现了巨大的发展潜力。

由于液晶材料的电光效应和低介质损耗，非常适合开发太赫兹可编程器件。基于液晶的可编程器件在太赫兹波束赋型等领域引起了研究人员的极大兴趣。太赫兹液晶器件的制备工艺与液晶显示产线兼容度高，具有低成本的优势。尽管如此，目前液晶可编程器件在工作带宽、速度、调制深度等方面仍然存在不足。此外，在太赫兹压缩感知成像中，各像素调制深度不一致性会对成像质量带来严重影响。

鉴于此，近日，南京大学吴培亨院士课题组的金飚兵教授联合电子学院、现代工学院以及紫金山实验室多个研究团队，研制出液晶太赫兹空间光调制器，实现了双色压缩感知成像；开发了自校准算法，克服了光源和像素不一致性的不利影响，提升了成像质量；提出了频率切换的压缩感知成像方法，将成像时间缩短50%。

研究内容

研究人员设计了一种电压调控的液晶太赫兹空间光调制器。单元采用了金属-介质-金属(MIM)型的超表面吸收器结构，双频液晶作为介质层被封装在两层金属结构中间。利用液晶的电光效应，当施加电压液晶的介电常数从2.8变化到3.5时，吸收点的频率偏移了约30 GHz，在两个谐振点都可以获得了较大的调制深度。器件的工作原理如下图1所示。

图1：太赫兹空间光调制器工作原理

研究人员对制备的器件进行了反射谱和调制深度的测试。当施加电压偏置后，谐振点发生了约20 GHz的频率偏移，在两个谐振频点(f1和f2)调制深度均大于70%。由于f1和f2反射和吸收状态恰好相反，因此两个频点处的投影是互补的。通过扫描成像的方法得到了清晰的投影成像，验证了器件具有良好的太赫兹波空间调制能力，具体如图2所示。

图2：a.器件的性能表征，b和c不同频率下字母N的投影像

由于频率点f1和f2均具有较高的调制深度，因此可以利用这两个频率点分别进行压缩感知成像。为了验证其对色散物体的成像效果，研究人员设计了在f1和f2处具有不同色散特性的超材料单元，并由这两种单元组合成具有一定图案的成像物体。在f1和f2处分别进行了压缩感知成像，获得了与预期相同的像，并合成出伪彩色光谱像。

此外，研究人员提出了自校准算法(ACS)，对太赫兹源和空间调制器各像素的非均匀性进行校准。在建立的成像模型中，上述非均匀性因素被考虑进来。通过模型求解，可以实现成像系统的自校准和图像重建同步进行。和传统压缩感知成像算法相比，ACS算法成像质量明显更优，具体如图3所示。

图3：a超材料组成的色散成像物体，b和c不同频点和算法下的成像结果

在压缩感知成像中,为了获得含有1和-1元素的Hadamard矩阵，需要施加正码和反码掩膜各测一次并进行互减，正反码的切换增加了成像时间。该液晶器件在同一帧掩模下，在频率f1和f2处，正好互为正反码，研究人员由此提出了频率切换的压缩感知成像方法。通过切换太赫兹源的频率，在同一帧掩模下获得正反码，从而实现Hadamard矩阵编码。对于液晶空间光调制器，掩模的切换时间远大于太赫兹源的频率切换时间，因此成像时间可以减少一半。成像结果表明，该方法可以实现非色散物体的压缩感知成像。运用自校准成像算法，可以将成像信噪比提升456%，极大提高这一方法的实用性，具体如图4所示。

图4：a频率切换压缩感知成像原理，b铜箔纸样品成像结果。

总结

该工作提出了一种8×8阵列的液晶太赫兹空间光调制器，两个工作频点调制深度均大于70%，并实现了太赫兹投影成像、双色压缩感知成像、频率切换压缩感知成像。此外，提出了一种ACS成像算法，极大提高了成像质量。液晶太赫兹空间光调制器的发展，为低成本实用化的太赫兹光谱成像技术提供可能的途径。

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审核编辑：汤梓红