液晶空间光调制器实验报告，利用液晶空间光调制器实现双色太赫兹压缩感知成像

很多朋友对液晶空间光调制器实验报告，利用液晶空间光调制器实现双色太赫兹压缩感知成像不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

研究背景

太赫兹波是介于红外和毫米波之间的电磁波谱，还没有被充分利用。由于太赫兹波与物质的相互作用，如分子旋转和自旋波，许多材料具有指纹光谱特征。获取太赫兹波段的光谱空间信息在生物医学诊断、医药工业和安全检测等领域具有巨大的应用潜力。

目前，虽然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的进展，但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的研究。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和重构。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传感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出现，在太赫兹压缩传感成像方面显示出巨大的发展潜力。

由于液晶材料的电光效应和低介电损耗，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光束整形等领域引起了研究者的极大兴趣。太赫兹液晶器件的制备工艺与液晶显示器生产线兼容性高，具有成本低的优点。尽管如此，液晶可编程器件在工作带宽、速度和调制深度方面仍存在一些不足。

另外，在太赫兹压缩传感成像中，每个像素的调制深度不一致会严重影响成像质量。

有鉴于此，近日，南京大学吴院士课题组金标兵教授联合电子所、现代理工学院、紫金山实验室等多个研究团队，研制出液晶太赫兹空间光调制器，实现了双色压缩传感成像；提出了一种自标定算法，克服了光源和像素不一致的不利影响，提高了成像质量。提出了一种频率切换的压缩感知成像方法，使成像时间缩短了50%。研究内容

研究人员设计了一种压控液晶太赫兹空间光调制器。该单元采用金属-介质-金属(MIM)超表面吸收体结构，双频液晶封装在两个金属结构之间作为介质层。利用液晶的电光效应，当液晶的介电常数从2.8变为3.5时，吸收点的频率偏移约30 GHz，在两个谐振点都可以获得较大的调制深度。该装置的工作原理如下图1所示。图1:太赫兹空间光调制器的工作原理

研究人员测试了所制备器件的反射光谱和调制深度。当施加偏压时，谐振点的频移约为20 GHz，在两个谐振频率点(f1和f2)调制深度都大于70%。由于f1和f2的反射和吸收状态正好相反，所以两个频点上的投影是互补的。通过扫描成像方式获得清晰的投影成像，验证了该器件具有良好的太赫兹波空间调制能力，如图2所示。

图2: A .器件的性能表征，字母N在B和c的不同频率下的投影图像。

由于f1和f2两个频点都具有较高的调制深度，因此可以分别用于压缩感知成像。为了验证其对色散物体的成像效果，研究人员设计了f1和f2处具有不同色散特性的超材料单元，并将这两个单元组合成一个具有一定图案的成像物体。分别在f1和f2进行压缩感知成像，得到了与预期相同的图像，合成了伪彩色光谱图像。

此外，研究人员提出了一种自校准算法(ACS)，用于校准太赫兹源和空间调制器像素的非均匀性。在建立的成像模型中，考虑了上述非均匀性因素。通过求解该模型，可以同时进行成像系统的自标定和图像重建。与传统的压缩感知成像算法相比，ACS算法的图像质量明显更好，如图3所示。图3:超材料A组成的色散成像物体，B和C在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1和-1元素的Hadamard矩阵，需要应用正码和负码掩码进行一次测量并相减，正负码的切换增加了成像时间。在相同的帧掩模下，液晶器件在频率f1和f2上正好是彼此的正负码，于是研究人员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，可以在同一帧掩模下得到正负码，从而实现哈达玛矩阵编码。

对于液晶空间光调制器，掩模的开关时间远大于太赫兹源的频率开关时间，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。采用自校准成像算法，成像信噪比可提高45.6%，大大提高了该方法的实用性，如图4所示。

图4: A频率切换压缩传感成像原理，B铜箔纸样品成像结果。总结这项工作，提出了一种88阵列液晶太赫兹空间光调制器，两个工作频点的调制深度大于70%，实现了太赫兹投影成像、双色压缩传感成像和频率切换压缩传感成像。此外，还提出了一种ACS成像算法，大大提高了成像质量。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了一种可能的途径。

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