Terahertz illumination concepts for reciprocal compressive imaging in silicon technologies (LumiCS)

Terahertz Beleuchtungskonzepte für Compressive Imaging in Silizium-Technologien (LumiCS)

• Professor Dr.-Ing. Otmar Loffeld
  Universität Siegen
  Zentrum für Sensorsysteme
  
  
• Professor Dr. Ullrich Pfeiffer
  Bergische Universität Wuppertal
  Fachbereich E
  Lehrstuhl für Hochfrequenzsysteme  in der Kommunikationstechnik
  
  

Zusammenfassung

Die Zielsetzung des vorliegenden Projekts ist, mit Hilfe des Compressed Sensing Paradigma neue bildgebende Terahertz (THz) Systeme zu entwickeln, die mit möglichst wenigen Messwerten, ohne mechanisches Abtasten (scannen) hochempfindliche und echtzeitfähige Bilder aufzeichnen können. Dieses interdisziplinäre Forschungsfeld verbindet gleichermaßen Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften. Das Herzstück des LumiCS Projektes ist es, eine digital-konfigurierbare THz Beleuchtungsquelle Terahertz Digital Light Processor (T-DLP, englisch) zu realisieren, die vollständig in einer Silizium-Prozesstechnologie integrierbar ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen THz Beleuchtungsquellen besteht ein T-DLP Chip aus einer Matrix-Anordnung von digital steuerbaren THz- Quellen. Er kombiniert die Vorteile eines reziproken Abbildungssystems mit neuen Compressed Sensing-Algorithmen. Bei gleichbleibender Anzahl der Bildpunkte werden deutlich weniger THz-Quellen und Bildsensoren benötigt. Darüber hinaus wird die Anzahl der Beleuchtungsmasken wesentlich geringer als die Anzahl der Bildpunkte sein. Ebenso reduzieren sich die Bildaufnahmezeiten deutlich gegenüber herkömmlichen reziproken Abbildungssystemen. Die T-DLP Chips sollen in einer kostengünstigen Silizium-Germanium (SiGe) Technologie implementiert werden und eröffnen damit erstmals den Weg für eine praktische Umsetzung in einem zukunftsweisenden Forschungsfeld. LumiCS kombiniert monolithisch integrierbare THz-Schaltkreise mit Compressed Sensing-Algorithmen für die Realisierung von THz-Multi-Pixel-Abbildungssystemen.

Summary

The project's main objective is to leverage silicon-based technologies for a breakthrough in terahertz (THz) compressive imaging. This interdisciplinary research project combines natural sciences with engineering sciences to realize a highly sensitive real-time THz imaging system without the need for mechanical scanning. The key innovation of LumiCS is an active Terahertz Digital Light Processor (T-DLP) fully integrated in a silicon process technology. Unlike simple THz point-sources, in a T-DLP the THz illumination is created by a matrix of digitally controlled source pixels. It combines the advantages of a reciprocal imaging system with novel compressed sensing (CS) algorithms, thereby enabling an imaging system where the number of THz sources and the number of THz image sensors (receivers) is much lower than the resolution of the captured image. Moreover, the number of patterns a T-DLP will need to create is significantly lower than the number of the obtained image pixels, thus reducing the overall image acquisition time compared with a reciprocal imaging system. The T-DLP and the image sensor chip will be implemented in a low-cost high-performance SiGe technology, providing a highly scalable, compact, and robust system solution. The research of LumiCS opens up a path towards practical implementation where CS-based algorithms, sampling, and digital signal processing are able to run simultaneously on a monolithically integrated circuit chip. Hence, it leverages the advantages of compressed sensing for the realization of future low-cost THz multi-pixel imaging system.