Dreidimensionale THz-Bildgebung auf der Grundlage der Detektion des komplexwertigen, zweidimensionalen räumlichen Fourierspektrums mittels fundamentaler und subharmonischer Heterodynmesstechnik

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing ; Messsysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452627280

Fourier-Bildgebung ist ein digitales Abbildungsverfahren. Die Szene wird mit kohärenter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet, in der rückseitigen Brennebene des optischen Abbildungssystems zeichnet man das transmittierte Strahlungsfeld auf. Die Feldverteilung repräsentiert dort das räumliche Fourierspektrum der Szene, modifiziert um einen Abstandsinformationen enthaltenden Propagationsterm. Die Fourier-Bildgebung eignet sich gut für den Terahertz-(THz-)Frequenzbereich, weil man hier auf Grund der Beugungsbegrenzung nur mit einer beschränkten Anzahl von Detektorpixeln arbeiten kann. Fourier-Bildgebung ermöglicht dennoch ein großes Bildfeld. Die Ortsauflösung lässt sich dadurch optimieren, dass man eine möglichst große Fläche in der Brennebene und damit hohe Fourier-Ordnungen erfasst. Bemerkenswert ist die Fähigkeit zur dreidimensionalen Bildgebung, die auf der Messung der Amplituden- und Phaseninformationen der Feldverteilung beruht. Wir haben dies bei 0.3 THz demonstriert, wobei ein von uns entwickelter Transistor-Detektor (TeraFET) im Heterodynbetrieb zum Einsatz gekommen ist. Um die Ortsauflösung zu verbessern, werden wir nun bei 0.6 THz mittels subharmonischer Heterodyndetektion arbeiten. Die erreichbare Tiefenauflösung ist zu untersuchen. Da unsere Vorarbeiten Stehwellenprobleme aufgezeigt haben, die die Phaseninformationen empfindlich stören können, werden wir zwei Wege verfolgen, um solche Probleme in den Griff zu bekommen: Zum einen werden wir die Kohärenzlänge der THz-Strahlung mit einer Streuscheibe reduzieren, zum anderen unerwünschte reflektierte Strahlung mit einem zu entwickelnden, metamaterialbasierten optischen Isolator herausfiltern. Auf dem Gebiet der Bildverarbeitung und -speicherung hat man Optimierungsverfahren entwickelt, die nicht selten auf der Fourier-Transformation beruhen. Ein für uns wichtiger Aspekt ist der der häufig vorzufindenden schwachen Besetzung (Sparsity) der Fourierkomponenten, der zu Verfahren der komprimierten Datenerfassung und -nutzung geführt hat, bei denen man nur einen beschränkten Datensatz für eine gute Bildqualität benötigt. Wir werden das Potential des „compressed sensing“ bei der THz-Abbildung dreidimensionaler Szenen (wenige einfache Objekte in verschiedenen Abständen) untersuchen, um herauszufinden, wie und wie stark sich die Zahl benötigter Fourierkomponenten ohne gravierenden Informationsverlust reduzieren lässt. Ein anderer Vorteil der Fourier-Bildgebung ist seine Verwandschaft mit der Holographie. Für diese hat man in jüngster Zeit Mustererkennungsverfahren auf der Basis tiefen Lernens entwickelt, mit denen die Robustheit der Phasenbestimmung wesentlich verbessert worden ist. Bessere Schärfentiefe und ein Auflösungsvermögen im Bereich der Superauflösung sind so erzielt worden. Die hierbei verwendeten methodischen Ansätze sollten sich auf die THz-Fourierbildgebung übertragen lassen, was wir in Zusammenarbeit mit einem Expertenteam aus dem Bereich des „deep learning“ explorieren werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Kai Zhou