潘建偉團隊實現毫米級非視域三維成像,為實用化開闢新道路

2021年08月01日20:42

原標題:潘建偉團隊實現毫米級非視域三維成像,為實用化開闢新道路

根據中國科技大學官網7月30日消息,中國科學技術大學教授潘建偉、張強、徐飛虎等與濟南量子技術研究院合作,利用頻率上轉換單光子探測技術,實驗實現了毫米級非視域三維成像,比之前的解像度提高1個數量級,是目前非視域成像的最高精度,為該技術的實用化發展開闢了新道路。

研究成果於2021年7月28日發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上,並被美國物理協會下屬網站Physics SYNOPSIS欄目專題報導。

非視域(Non-Line-of-Sight,簡稱NLOS)成像是一種針對隱藏物體成像的光學成像技術,即可以做到所謂“隔牆觀物”。這項技術在反恐防暴、醫療檢測、緊急救援、智能駕駛等領域具有廣泛的應用價值。

“非視域成像技術是近幾年新興的技術,目前主要是在科研創新階段,實用化和產業化剛剛起步。實用化需要解決快速探測、高精度成像、複雜場景成像等實際問題。”一位國內知名量子物理學家對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示,此項工作主要實現了高時間精度的單光子探測技術,基於此核心技術,實現了目前最高精度(毫米精度)的非視域成像。

論文表示,與傳統的光學成像相比,非視域成像分析多次反射的少量光子,而非一次反射直接進入探測器的光子。因此,該過程在理論和實驗上都涉及幾個挑戰,如成像算法、高效單光子檢測和光子飛行時間 (TOF) 測量的時間解像度。

非視域成像利用單光子探測技術記錄單個光子的飛行時間信息,結合相關計算成像算法,可以實現對相機視場範圍外的目標成像。

徐飛虎教授曾在演講中介紹,非視域單光子相機使用的方法是,首先主動發一束光,光會經過牆(中介面)和隱藏物體的多次漫反射(這其中經過三次漫反射:激光器發射的光子在牆上,經漫反射到整個空間;光反射到隱藏的物體上,再從隱藏的物體漫反射到牆上;然後通過牆漫反射回來),再探測返回的光子。通過計算這些光子所包含的飛行時間信息,就能實現對隱藏物體的重建。

由於光子的飛行時間信息包含了物體間的相對空間位置信息,因此,對光子飛行時間記錄的精度會直接影響物體三維空間重構的精度。傳統的非視域成像實驗受限於單光子探測器的時間分辨能力(最優幾十皮秒),其成像精度僅能達到釐米級。

而本次研究中,中國科大研究團隊利用脈衝泵浦頻率上轉換探測技術,實現了時間分辨能力達到1.4皮秒的近紅外單光子探測器,並通過長波泵浦和時間域濾波方式將探測器的暗計數降低至5Hz。(暗計數是探測器的一種誤差。由於非信號光和電噪聲可能被單光子探測器誤認為是有效光信號,因而產生誤差。)

(a)高精度非視域成像裝置 (b)脈衝泵浦上轉換單光子探測器時間分辨力實驗結果 (c)脈衝泵浦上轉換單光子探測器探測效率及暗計數實驗結果。

“頻率上轉換單光子探測技術是指將低頻率的光子通過在非線性晶體中和泵浦光發生和頻作用,轉化為高頻率的光子後進行探測。當光子能量提高到比如可見光波段,我們就能夠進行更高效的單光子探測,包括效率和時間解像度。”國盾量子的技術專家趙於康向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者解釋。

(a)成像目標文字:USTC(中國科技大學字母縮寫)字母 (b)此次工作的非視域成像結果 (c)傳統非視域成像結果

利用該單光子探測器所搭建的非視域成像系統,一方面借助於對漫反射牆回波和目標物體信號回波的分時探測,成功解決了非視域成像技術中難以實現完全同軸的成像系統的問題;另一方面借助於高時間分辨能力,成功實現了對視域外目標物體的高精度三維重構,其橫向空間分辨能力達到2mm,縱向空間分辨能力達到0.18mm,與之前的結果相比提高了1個數量級。最終,研究團隊成功對視域外毫米級大小的字母實現了高精度非視域成像。

“這是個很有用的方向。為了探測漫反射光並且識別其路徑,前提是有足夠高的探測靈敏度和時間解像度,這項工作的意義在於實現了這個前提並且已經達到夠用水平,探測器也是實用化的。”趙於康表示,“我覺得要真正應用還有一些工程性技術難題。目前實驗是對反光材料、數十釐米距離的固定目標進行成像,光接收、分辨和成像時間等條件都很理想。以後在複雜環境里,這些條件都會顯著劣化。”

《物理評論快報》雜誌的審稿人對這項研究的評價為“該工作對於非視域成像領域的研究工作者來說極為有趣,是一項重要的技術里程碑”(This work is an important technical milestone, which will be very interesting to everyone working in the field of (NLOS) imaging.)。

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