Les scientifiques font un pas de plus vers le développement d'une caméra rapide et rentable qui utilise le rayonnement térahertz, ouvrant potentiellement la possibilité pour eux d'être utilisés dans la sécurité non invasive et le dépistage médical.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Emma Pickwell-MacPherson du département de physique de l'Université de Warwick et impliquant des scientifiques de l'Université chinoise de Hong Kong a franchi une étape cruciale dans le développement d'une technologie d'imagerie térahertz à pixel unique destinée à être utilisée dans des applications biomédicales et industrielles.

Leur caméra térahertz à un seul pixel a atteint une acquisition 100 fois plus rapide que l'état de l'art précédent sans ajouter de coûts significatifs à l'ensemble du système ni sacrifier la résolution temporelle inférieure à la picoseconde nécessaire pour les applications les plus recherchées.

La percée a été publiée dans la revue Communication Nature .

Les potentiels et les problèmes du rayonnement térahertz

Rayonnement térahertz (THz), ou des rayons T, asseyez-vous entre l'infrarouge et le WiFi sur le spectre électromagnétique. Les rayons T ont des propriétés différentes des autres ondes électromagnétiques, plus particulièrement, ils peuvent voir à travers de nombreux matériaux courants tels que les plastiques, céramiques et vêtements, ce qui les rend potentiellement utiles dans les inspections non invasives. Une autre qualité est que les photons de basse énergie des rayons T sont non ionisants, ce qui les rend très sûrs dans les milieux biologiques, y compris la sécurité et le contrôle médical. Ils sont également très sensibles à l'eau et peuvent observer des changements infimes de l'état d'hydratation de la matière biologique. Cela signifie que les maladies perturbant la teneur en eau de la matière biologique, comme le cancer de la peau, peut potentiellement être détecté à l'aide de rayons T in vivo sans aucun marqueur histologique.

La détection et la génération efficaces de rayons T ont été possibles en laboratoire au cours des 25 dernières années. Cependant, La technologie THz n'est pas encore largement utilisée dans les environnements commerciaux car le coût, la robustesse et/ou la facilité d'utilisation sont toujours à la traîne pour l'adoption commerciale dans les environnements industriels.

Pour les applications biomédicales, très peu d'essais cliniques ont été réalisés notamment en raison du manque de convivialité de l'équipement et de la lenteur de l'imagerie en raison de la nécessité de mesurer plusieurs fréquences térahertz (pour un diagnostic précis). Finalement, l'équipement et les coûts de fonctionnement doivent être compris dans les budgets des hôpitaux. Par conséquent, de nombreuses recherches sur la technologie térahertz se concentrent actuellement sur le développement de l'équipement pour améliorer la vitesse d'imagerie, sans réduire la précision du diagnostic ou engager des coûts importants. Par conséquent, nous devons explorer des techniques d'imagerie alternatives à celles actuellement utilisées dans les téléphones intelligents modernes.

Les avantages des caméras à pixel unique

Professeur Emma Pickwell-MacPherson, du Département de physique de l'Université de Warwick, a déclaré :« Nous utilisons ce qu'on appelle 'un appareil photo à un seul pixel' pour obtenir nos images. En bref, nous modulons spatialement le faisceau THz et projetons cette lumière sur un objet. Puis, à l'aide d'un détecteur monoélément, nous enregistrons la lumière qui est transmise (ou réfléchie) à travers l'objet que nous voulons imager. Nous continuons à faire cela pour de nombreux modèles spatiaux différents jusqu'à ce que nous puissions reconstruire mathématiquement une image de notre objet."

Les chercheurs doivent continuer à changer la forme du faisceau THz plusieurs fois, ce qui signifie que cette méthode est généralement plus lente par rapport aux réseaux de détecteurs multi-pixels. Cependant, les matrices multi-pixels pour le régime térahertz manquent généralement de résolution temporelle inférieure à la picoseconde, nécessitent des températures cryogéniques pour fonctionner ou entraînent des coûts d'équipement importants (> 350 $ US, 000). La configuration développée par l'équipe Warwick, qui est basé sur un détecteur à élément unique, est à un prix raisonnable (~ 20 $ US, 000), robuste, a une résolution temporelle inférieure à la picoseconde (nécessaire pour un diagnostic précis) et fonctionne à température ambiante.

Le professeur Pickwell-MacPherson ajoute :« Nos derniers travaux améliorent le taux d'acquisition des caméras térahertz à un seul pixel d'un facteur 100 par rapport à l'état de l'art précédent, acquisition d'une vidéo 32x32 à 6 images par seconde. Pour ce faire, nous déterminons d'abord la géométrie de modulation optimale, d'autre part en modélisant la réponse temporelle de notre système d'imagerie pour l'amélioration du rapport signal sur bruit, et troisièmement en réduisant le nombre total de mesures avec des techniques de détection compressées. En réalité, une partie de notre travail montre que nous pouvons atteindre un taux d'acquisition cinq fois plus rapide si nous avons un rapport signal/bruit suffisant."

Les chercheurs ont déjà développé plusieurs dispositifs THz, y compris des modulateurs THz qui utilisent la géométrie de réflexion interne totale pour atteindre des MD élevés sur une plage de fréquences à large bande et une nouvelle approche pour la modulation d'amplitude et de phase exploitant l'angle de Brewster. Ils travaillent également à améliorer la résolution de l'imagerie THz à pixel unique grâce à des approches de traitement du signal. Les travaux futurs se concentreront sur l'amélioration du rapport signal sur bruit et l'optimisation des logiciels nécessaires à un diagnostic médical précis, l'objectif ultime étant d'utiliser l'imagerie THz à pixel unique pour le diagnostic in vivo du cancer.