Оценка качества восстановления изображения в случае мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации

Исмагилов А.О., Лаппо-Данилевская А.К., Калиничев А.А., Цыпкин А.Н.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Исмагилов А.О., Лаппо-Данилевская А.К., Калиничев А.А., Цыпкин А.Н. Оценка качества восстановления изображения в случае мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 8. С. 55–63. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-55-63

Ismagilov A.O., Lappo-Danilevskaya A.K., Kalinichev A.A., Tcypkin A.N. Estimation of image reconstruction quality in multiplex terahertz ghost imaging [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 8. P. 55–63. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-55-63

Ссылка на англоязычную версию:

Azat Ismagilov, Anastasia Lappo-Danilevskaya, Aleksey Kalinichev, and Anton Tcypkin, "Assessment of image reconstruction quality in multiplexed terahertz ghost imaging," Journal of Optical Technology. 90(8), 451-455 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000451

Аннотация:

Предмет исследования. Зависимости индекса структурного сходства между восстановленным и эталонным изображениями в случае мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации от используемых частотных диапазонов широкополосного терагерцового излучения. Цель работы. Оценка влияния выбора частотных диапазонов широкополосного терагерцового излучения на индекс структурного сходства между эталонным и восстановленным методом мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации изображениями. Метод. Разработанная математическая модель позволяет получать изображения спекл-структур на отдельных частотных компонентах используемого широкополосного терагерцового излучения, формируемых при его распространении через прозрачный неоднородный фазовый объект. Аналогичные изображения спекл-структур можно получить в эксперименте с помощью схемы электрооптического детектирования. Восстановление изображений производилось при использовании метода мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации. Основные результаты. Описана используемая математическая модель. Представлены зависимости индекса структурного сходства, восстановленного методом мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации изображения с эталонным изображением от количества итераций для различных частотных диапазонов широкополосного терагерцового излучения. Практическая значимость. Результаты, приведённые в работе, позволят производить настройку системы мультиплексной терагерцовой фантомной визуализации для достижения оптимального соотношения между количеством необходимых измерений и качеством восстановленного изображения.

Ключевые слова:

терагерцовое излучение, фантомная визуализация, мультиплексирование, индекс структурного сходства, широкополосное излучение

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания (Паспорт № 2019-0903)

Коды OCIS: 110.3010; 110.6795

Список источников:

1. Valušis G., Lisauskas A., Yuan H. et al. Roadmap of terahertz imaging 2021 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2021. V. 21. № 12. P. 4092. https://doi.org/10.3390/s21124092

2. Naftaly M., Miles R.E. Terahertz time-domain spectroscopy for material characterization // Proc. IEEE. 2007. V. 95. № 8. P. 1658–1665. https://doi.org/10.1109/JPROC.2007.898835

3. Smolyanskaya O.A., Chernomyrdin N.V., Konovko A.A. et al. Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids // Prog. Quantum Electron. 2018. V. 62. P. 1–77. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2018.10.001

4. Sirro S., Odlyanitskiy E., Portieri A. et al. TeraPulse Lx for terahertz imaging of painting on canvas // J. Phys. Conf. Ser. IOP Publishing. 2021. V. 1866. № 1. P. 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1866/1/012004

5. Guillet J. P., Roux M., Wang K., Ma X. et al. Art painting diagnostic before restoration with terahertz and millimeter waves // J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2017. V. 38. № 4. P. 369–379. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1866/1/012004

6. Elayan H., Amin O., Shubair R.M., Alouini M.S. Terahertz communication: The opportunities of wireless technology beyond 5G // 2018 International Conference on Advanced Communication Technologies and Networking (CommNet). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/COMMNET.2018.8360286

7. Liu X., Melnik M., Zhukova M. et al. Formation of gigahertz pulse train by chirped terahertz pulses interference // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2020. V. 10. № 1. P. 9463. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66437-4

8. Zhu Y.L., She R.B., Liu W.Q. et al. Deep learning optimized terahertz single-pixel imaging // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2022. V. 12. № 2. P. 165–172. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2021.3132160

9. Zhang A.X., He Y.H., Wu L.A. et al. Tabletop x-ray ghost imaging with ultra-low radiation // Optica. Optica Publishing Group. 2018. V. 5. № 4. P. 374–377. https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000374

10. Zhang Y., Li W., Wu H. et al. High-visibility underwater ghost imaging in low illumination // Opt. Commun. 2019. V. 441. P. 45–48. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.02.036

11. Shi X., Huang X., Nan S. et al. Image quality enhancement in low-light-level ghost imaging using modified compressive sensing method // Laser Phys. Lett. IOP Publishing, 2018. V. 15. № 4. P. 045204. https://doi.org/10.1088/1612-202X/aaa5f6

12. Padgett M.J., Boyd R.W. An introduction to ghost imaging: quantum and classical // Philos. Trans. R. Soc. Math. Phys. Eng. Sci. Royal Society. 2017. V. 375. № 2099. P. 20160233. https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0233

13. Bromberg Y., Katz O., Silberberg Y. Ghost imaging with a single detector // Phys. Rev. A. American Physical Society. 2009. V. 79. № 5. P. 053840. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.79.053840

14. Wu D., Luo J., Huang G. et al. Imaging biological tissue with high-throughput single-pixel compressive holography // Nat. Commun. Nature Publishing Group. 2021. V. 12. № 1. P. 4712. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24990-0

15. Peller J., Farahi F., Trammell S.R. Hyperspectral imaging system based on a single-pixel camera design for detecting differences in tissue properties // Appl. Opt. Optica Publishing Group. 2018. V. 57. № 27. P. 7651–7658. https://doi.org/10.1364/AO.57.007651

16. Yamanaka M., Hayakawa N., Nishizawa N. High-spatial-resolution deep tissue imaging with spectral-domain optical coherence microscopy in the 1700 nm spectral band // J. Biomed. Opt. SPIE, 2019. V. 24. № 7. P. 070502. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.7.070502

17. Shen H., Gan L., Newman N. et al. Spinning disk for compressive imaging // Opt. Lett. Optica Publishing Group. 2012. V. 37. № 1. P. 46–48. https://doi.org/10.1364/OL.37.000046

18. Lenets V.A., Kuznetsov S.A., Sayanskiy A.D. et al. Manipulation with terahertz wave fronts using self-complementary metasurfaces // 2020 Fourteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials). 2020. P. 294–296. https://doi.org/10.1109/Metamaterials49557.2020.9285140

19. Leibov L., Ismagilov A., Zalipaev V. et al. Speckle patterns formed by broadband terahertz radiation and their applications for ghost imaging // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2021. V. 11. № 1. P. 20071. https://doi.org/10.1038/s41598-021-99508-1

20. Vallés A., He J., Ohno S. et al. Broadband high-resolution terahertz single-pixel imaging // Opt. Express. Optica Publishing Group. 2020. V. 28. № 20. P. 28868–28881. https://doi.org/10.1364/OE.404143

21. Ismagilov A., Lappo-Danilevskaya A., Grachev Y. et al. Ghost imaging via spectral multiplexing in the broadband terahertz range // J. Opt. Soc. Am. B. 2022. V. 39. № 9. P. 2335. https://doi.org/10.1364/JOSAB.465222

22. Deng C., Suo J., Wang Y. et al. Single-shot thermal ghost imaging using wavelength-division multiplexing // Appl. Phys. Lett. American Institute of Physics. 2018. V. 112. № 5. P. 051107. https://doi.org/10.1063/1.5001750

23. Zhang D.J., Li H.G., Zhao Q.L. et al. Wavelength-multiplexing ghost imaging // Phys. Rev. A. American Physical Society. 2015. V. 92. № 1. P. 013823. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.92.013823

24. Artser I., Melnik M., Ismagilov A. et al. Radiation shift from triple to quadruple frequency caused by the interaction of terahertz pulses with a nonlinear Kerr medium // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2022. V. 12. № 1. P. 9019. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13445-1

25. Petrov N.V., Pavlov P.V., Malov A.N. Numerical simulation of optical vortex propagation and reflection by the methods of scalar diffraction theory // Quantum Electronics. IOP Publishing. 2013. V. 43. № 6. P. 582. https://doi.org/10.1070/QE2013v043n06ABEH015190

26. Goodman J.W. Speckle phenomena in optics: Theory and applications. Greenwood Village: Roberts and Company Publishers, 2007. 422 p.

27. Grachev Y.V., Kokliushkin V.A., Petrov N.V. Open-source 3D-printed terahertz pulse time-domain holographic detection module // Appl. Opt. Optica Publishing Group. 2022. V. 61. № 5. P. B307–B313. https://doi.org/10.1364/AO.444979

28. Horstmeyer R., Heintzmann R., Popescu G. et al. Standardizing the resolution claims for coherent microscopy // Nat. Photonics. Nature Publishing Group. 2016. V. 10. № 2. P. 68–71. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.279

29. Wang Z., Bovik A. C., Sheikh H. R., Simoncelli E. P. Image quality assessment: from error visibility to structural similarity // IEEE Trans. Image Process. 2004. V. 13. № 4. P. 600–612. https://doi.org/10.1109/TIP.2003.819861