Lichtfeld-Technik für die Terahertz-Bildgebung (T-Field)

• Antragsteller: Professor Dr. Ullrich Pfeiffer
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 288230757

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die im Rahmen dieses Projektes bereitgestellten Mittel wurden für die Untersuchung der Erfassung von THz-Lichtfeldern mittels einer siliziumintegrierten, CMOS-basierten THz-Kamera vorgesehen. Dies umfasste sowohl theoretische, als auch experimentelle Untersuchungen der Generierung von Bildern mittels THz-Lichtfeld-Bildgebung, die einen neuen Ansatz darstellen zu den herkömmlichen kohärenten Bilgebungsmethoden, die in den niedrigen Frequenzbereichen (radio- und millimeter Wellen) eingesetzt werden. Ein weiteres Ziel dieses Projektes war das Design eines neuen Silizium Kamera SoC (System-on-Chip). Damit sollte in einer Multi-Chip-Matrix mit diesem SoC ein plenoptisches THz-Kamerasystem mit Echtzeit Bildwiederholrate realisiert werden. Im Laufe dieser Studie wurde das mathematische und konzeptionelle Fundament für die Lichtfelder im Terahertz Bereich gelegt. Im Transmissionsmodus konnte gezeigt werden, dass wir die Richtcharakteristik einer Quelle abbilden können und ein Beispielobjekt rekonstruieren ohne den Einsatz von zusätzlichen Linsen. Des weiteren konnte im Reflexionsmodus eine Spielzeugpistole anhand der Auswertung der Lichtfelddaten eindeutig erkannt werden. Durch das Nachbearbeiten der Daten konnte sukzessive der Kontrast der einzelnen Oberflächenmerkmale verbessert werden um das Objekt besser identifizieren zu können. In einem weiteren Experiment konnten das Krümmungsprofil einer metallischen Oberfläche mithilfe der Lichtfeld-Daten bestimmt werden. Diese Experimente bestätigten unseren Ansatz, inkohärente Methoden in Verbindung mit Lichtfeldern für Bildgebungsanwendungen zu nutzen, die bisher nur mit kohärenten Systemansätzen möglich waren. Außerdem haben wir die weltweit erste vollständig digitale Lichtfeldkamera mit integrierter Stromversorgung, digitalen Ausleseschaltungen und SPI-basierter Steuerung entwickelt. Abschließend haben wir ein 3x3-Kamera-Matrix entwickelt, die weitere Untersuchungen von Terahertz-Lichtfeldern ermöglichen und den Stand der Technik vorantreiben wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Terahertz light-field imaging”. In: IEEE Trans. THz Sci. Technol. 6.5 (2016), pp. 649–657
  R. Jain, J. Grzyb, and U. R. Pfeiffer
  
• “Investigations on the plenoptics based image generation for THz reflection imaging”. In: Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2017, pp. 1–2
  R. Jain et al.
  
• “Object feature extraction with focused terahertz plenoptic imaging”. In: Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. IEEE. 2018, pp. 1–2
  R. Jain et al.
  
• “34.3 A 32×32 pixel 0.46-to-0.75 THz light-field camera SoC in 0.13µm CMOS”. In: IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. IEEE, Feb. 2021
  R. Jain et al.