研究人员利用SPAD探测器实现3D量子鬼成像

研究人员报告了通过量子鬼成像获得的第一个 3D 测量结果。这项新技术能够在单光子水平上进行 3D 成像，从而为任何测量提供最低的光子剂量。

德国弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像开发研究所以及卡尔斯鲁厄理工学院的研究员 Carsten Pitsch 表示：“单光子 3D 成像可用于各种生物医学应用，例如眼部护理诊断。” “它可以应用于对光敏感的图像材料和组织或暴露在光线下有毒的药物，而不会造成任何损坏。”

在Optica 出版集团的期刊 《应用光学》中，研究人员描述了他们的新方法，该方法采用了新型单光子雪崩二极管 (SPAD) 阵列探测器。他们应用了称为异步检测的新成像方案，通过量子鬼成像执行 3D 成像。

“异步检测对于军事或安全应用也可能有用，因为它可以用于在不被发现的情况下进行观察，同时还可以减少过度照明、湍流和散射的影响，”皮奇说。“我们还想研究它在高光谱成像中的用途，这可以允许在使用非常低的光子剂量的同时同时记录多个光谱区域。这对于生物分析非常有用。”

添加第三个维度

量子鬼成像使用纠缠光子对创建图像，其中光子对中只有一个成员与物体相互作用。然后使用每个光子的检测时间来识别纠缠对，从而可以重建图像。这种方法不仅允许在极低的光照水平下成像，而且意味着被成像的物体不必与用于成像的光子相互作用。

以前的量子鬼成像装置无法进行 3D 成像，因为它们依赖于增强型电荷耦合器件 (ICCD) 相机。尽管这些相机具有良好的空间分辨率，但它们是时间选通的，并且不允许对单个光子进行独立的时间检测。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于专为激光雷达和医学成像开发的新型单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的装置。这些探测器具有多个带有专用定时电路的独立像素，这使得它们能够以皮秒分辨率记录每个像素的探测时间。

新方法使用两个纠缠光子(信号光子和闲频光子)来获得单光子照明的 3D 图像。这涉及将闲置光子引导到物体上，然后及时检测反向散射光子。同时，信号光子被引导至专用相机，该相机在时间和空间上检测尽可能多的光子。研究人员随后将每个像素的检测时间与单像素检测器的检测时间进行比较，以重建纠缠。这也使他们能够确定相互作用的闲置光子的飞行时间，从而确定物体的深度。

适应性强的设置

另一个关键创新是用于产生纠缠光子的 KTP 晶体的周期性极化。“这使得几乎任何泵浦信号闲频三重态都可以实现高效的准相位匹配，并让我们可以自由选择照明和成像的波长，”Pitsch 说。“它还使我们能够使设置适应许多其他应用或波长。”

研究人员使用两种不同的独立设置展示了其异步检测方案的 3D 功能。其中一个类似于迈克尔逊干涉仪，使用两个空间上分离的臂获取图像。这种设置使研究人员能够分析 SPAD 性能并改进重合检测。另一种设置使用自由空间光学器件，更以应用为中心。不是用两个分开的手臂进行成像，而是对同一手臂中的两个物体进行成像。

尽管还需要做更多的工作，但这两种设置都可以很好地作为新技术的概念验证演示。实验还表明，异步检测可用于远程检测，这对大气测量很有用。

研究人员目前正在与 SPAD 制造商合作，提高 SPAD 相机的空间分辨率和占空比(探测器开启的时间百分比)。他们还计划用最近推出的更快的自由空间耦合探测器取代光纤耦合惰轮探测器。最后，他们计划将该装置应用于高光谱成像，该成像可用于在重要的中红外光谱中进行成像，而不需要在这些波长下工作的探测器。