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C2 Sparse/synthetische THz-Bildgebung für 3D-Tomographie

Projektleiter

Prof. Dr.-Ing. Otmar Loffeld, Prof. Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar

Ausgangslage

Synthetische Bildrekonstruktionsverfahren können zentrale Probleme der THz-Bildgebung lösen, insbesondere die Notwendigkeit großer Optiken für Bildgebung in größerer Entfernung, die geringe Tiefenschärfe abbildender Systeme und die Problematik tomographischer Analysen von internen Strukturen unter Berücksichtigung von Beugung. Diese grundlegenden Probleme, die mit direkt abbildenden Systemen nicht bewältigt werden können, können mittels synthetischer und/oder tomographischer Bildgebungsansätze gelöst werden. Dies geschieht jedoch auf Kosten eines erheblichen numerischen und technologischen Zusatzaufwandes. Aufgrund des extremen numerischen Aufwands sind bisherige Systeme nicht in der Lage, 3D-Rekonstruktionen in Echtzeit zu realisieren. In anderen Frequenzbereichen entwickelte Verfahren, wie zum Beispiel die computertomographische Rekonstruktion, sind aufgrund der Beugungsbegrenzung und der Streuung nicht direkt auf den THz-Frequenzbereich übertragbar. Entsprechend ist eine einfache Adaption bestehender Ansätze nicht hinreichend und es müssen neue technologische Ansätze, von der Systementwicklung bis zur Neuentwicklung synthetischer Rekonstruktionsverfahren gefunden werden. Im Rahmen der ersten Projektphase konnten zwei Systeme zur vollen 3D synthetische Rekonstruktion realisiert werden, ein rasterndes System bei 600 GHz und ein System zur Echtzeitrekonstruktion bei 100 GHz mit einem hybriden Ansatz, d.h. mit einer abbildenden und einer synthetischen Dimension. In diesem Zusammenhang wurden erste Ansätze zur Modellierung der Streuung an rauen Oberflächen entwickelt.
 

Ziele und Arbeitsprogramm

Seit dem Aufkommen von THz-Technologien wurden vielfältige Anwendungspotentiale demonstriert. Die reale Umsetzung dieser Potentiale wird durch den unzureichenden Entwicklungsstand bestehender THz-Bildgebungssysteme jedoch stark erschwert. Ein wesentliches Problem bereitet dabei die räumliche Auflösung: In einem traditionellen Bildgebungsansatz definiert das Verhältnis von Wellenlänge zur Dimension der verwendeten Abbildungsoptik die maximal erreichbare Abtastung einer Szene. Bei typischen THz-Anwendungsszenarien bedingt dies unpraktikable Optikdimensionen. Es ist daher essentiell notwendig, effiziente synthetische Bildgebungsansätze zu entwickeln, um hochauflösende Bildrekonstruktionsverfahren ohne aufwändige Optik zu ermöglichen.

Photograph of a person; right: overlay of four views of the 3D-THz volume Influence of simulated coarseness for the image quality