Frequency-diverse phase holograms for millimeter- and submillimeterwave computational imaging

Millimetri- ja alimillimetriaalloilla toimivat kuvantamisjärjestelmät ovat herättäneet merkittävää kiinnostusta niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien, kuten monien ei-metallisten materiaalien läpäisyn ja suhteellisen tarkan resoluution vuoksi. Näiden ominaisuuksien ansiosta ne soveltuvat ihanteellisesti esimerkiksi turva- ja teollisuustarkastuksiin sekä lääketieteelliseen diagnostiikkaan. Näillä aallonpituuksilla perinteiset kuvantamisjärjestelmät kuitenkin tukeutuvat monimutkaisiin laitteistoihin, suuriin ilmaisinryhmiin ja mekaanisiin tai sähköisiin keilanohjausmekanismeihin, mikä rajoittaa niiden skaalautuvuutta ja kustannustehokkuutta. Tämä väitöskirja vastaa näihin haasteisiin keskittymällä taajuusmonimuotoisten vaihehologrammien suunnitteluun, optimointiin ja soveltamiseen millimetri- ja alimillimetriaaltoalueen laskennallisissa kuvantamisjärjestelmissä. Tutkimuksen tavoitteena on kehittää yksinkertaisia ja kustannustehokkaita diffraktoivia optisia elementtejä, jotka kykenevät enkoodaamaan spatiaalista informaatiota kuvantamisalueelta laajan kaistanleveyden yli muuttuviin säteilykuvioihin, mahdollistaen kehittyneen laskennallisen kuvantamisen ilman tarvetta perinteisille keilanohjausmenetelmille. Tutkimuksen motivaationa on tarve käytännöllisille kuvantamisjärjestelmille, joissa korkea resoluutio saavutetaan yksinkertaisemmalla laitteistolla hyödyntäen hologrammien suunnittelua ja neuroverkkopohjaista kuvanmuodostusta. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa esitellään taajuusmonimuotoisten vaihehologrammien suunnitteluprosessi, optimointi, valmistus ja karakterisointi. Suunnitellut hologrammit hyödyntävät diskretoitua vaihemodulaatiota kvasisatunnaisten pintaprofiilien kautta, mikä mahdollistaa spatiaalisesti muuttuvien säteilykuvioiden muodostamisen leveän taajuuskaistan yli. Hologrammien synteesiprosessissa käytetään fysikaalisen optiikan simulaatioita optimoimaan hologrammien toimintakaistaa, diffraktiohyötysuhdetta ja taajuusmonimuotoisuutta. Hologrammeista kaksi suunnitellaan kaksikaistaisiksi toiminta-alueille WR-15 (50–75 GHz) ja WR-3.4 (220–330 GHz), ja kolmas hologrammi räätälöidään 325–355 GHz taajuuskaistalle. Viimeksi mainittu hologrammi hyödyntää spatiaalista suodatusta parantaakseen edelleen taajuusmonimuotoisuutta minimoimalla kentän intensiteettiä kuvantamisalueen ulkopuolella. Valmistettujen hologrammien karakterisointi suoritetaan lähikenttämittauksella, jotka osoittavat lähes 50 %:n diffraktiohyötysuhteen ja riittävän taajuusmonimuotoisuuden. Väitöskirjan toisessa osassa keskitytään kahteen suunniteltuja hologrammeja hyödyntävään kuvantamisjärjestelmään: vektoripiirianalysaattoriin (VNA) perustuvaan järjestelmään ja taajuusmoduloituun jatkuvan aallon (FMCW) tutkajärjestelmään. VNA-pohjainen järjestelmä toimii 50–75 GHz ja 220–330 GHz taajuuskaistoilla, ja sitä käytetään osoittamaan kuvantamismenetelmän kyky rekonstruoida kuvia kohteesta koulutetun neuroverkon avulla lähes diffraktion rajoittamalla tarkkuudella. Lisäksi tutkitaan käytössä olevan kaistanleveyden sekä valaisukentän spatiaalisten ominaisuuksien vaikutusta kuvantamisen tarkkuuteen. FMCW-tutkajärjestelmä toimii 325–355 GHz ja yhdistää optimoidun hologrammin, tutkan nopean pyyhkäisytaajuuden sekä reaaliajassa koulutettavan neuroverkkoavusteisen kuvanmuodostuksen. Järjestelmä edustaa kehitystä laboratoriotason laitteistoista kohti kompaktimpaa ja itsenäisempää kuvantamisjärjestelmää. Järjestelmän suorituskykyä havainnollistetaan kuvantamalla pyörivää kohdetta reaaliajassa 60 Hz:n kuvataajuudella ja hyvällä tarkkuudella.