潘建伟团队实现毫米级非视域三维成像,为实用化开辟新道路

潘建伟团队实现毫米级非视域三维成像,为实用化开辟新道路

潘建伟团队实现毫米级非视域三维成像,为实用化开辟新道路

根据中国科技大学官网7月30日消息,中国科学技术大学教授潘建伟、张强、徐飞虎等与济南量子技术研究院合作,利用频率上转换单光子探测技术,实验实现了毫米级非视域三维成像,比之前的分辨率提高1个数量级,是目前非视域成像的最高精度,为该技术的实用化发展开辟了新道路。
研究成果于2021年7月28日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上,并被美国物理协会下属网站Physics SYNOPSIS栏目专题报道。
非视域(Non-Line-of-Sight,简称NLOS)成像是一种针对隐藏物体成像的光学成像技术,即可以做到所谓“隔墙观物”。这项技术在反恐防暴、医疗检测、紧急救援、智能驾驶等领域具有广泛的应用价值。
“非视域成像技术是近几年新兴的技术,目前主要是在科研创新阶段,实用化和产业化刚刚起步。实用化需要解决快速探测、高精度成像、复杂场景成像等实际问题。”一位国内知名量子物理学家对澎湃新闻表示,此项工作主要实现了高时间精度的单光子探测技术,基于此核心技术,实现了目前最高精度(毫米精度)的非视域成像。
论文表示,与传统的光学成像相比,非视域成像分析多次反射的少量光子,而非一次反射直接进入探测器的光子。因此,该过程在理论和实验上都涉及几个挑战,如成像算法、高效单光子检测和光子飞行时间 (TOF) 测量的时间分辨率。
非视域成像利用单光子探测技术记录单个光子的飞行时间信息,结合相关计算成像算法,可以实现对相机视场范围外的目标成像。
徐飞虎教授曾在演讲中介绍,非视域单光子相机使用的方法是,首先主动发一束光,光会经过墙(中介面)和隐藏物体的多次漫反射(这其中经过三次漫反射:激光器发射的光子在墙上,经漫反射到整个空间;光反射到隐藏的物体上,再从隐藏的物体漫反射到墙上;然后通过墙漫反射回来),再探测返回的光子。通过计算这些光子所包含的飞行时间信息,就能实现对隐藏物体的重建。
由于光子的飞行时间信息包含了物体间的相对空间位置信息,因此,对光子飞行时间记录的精度会直接影响物体三维空间重构的精度。传统的非视域成像实验受限于单光子探测器的时间分辨能力(最优几十皮秒),其成像精度仅能达到厘米级。
而本次研究中,中国科大研究团队利用脉冲泵浦频率上转换探测技术,实现了时间分辨能力达到1.4皮秒的近红外单光子探测器,并通过长波泵浦和时间域滤波方式将探测器的暗计数降低至5Hz。(暗计数是探测器的一种误差。由于非信号光和电噪声可能被单光子探测器误认为是有效光信号,因而产生误差。)

(a)高精度非视域成像装置 (b)脉冲泵浦上转换单光子探测器时间分辨力实验结果 (c)脉冲泵浦上转换单光子探测器探测效率及暗计数实验结果。

“频率上转换单光子探测技术是指将低频率的光子通过在非线性晶体中和泵浦光发生和频作用,转化为高频率的光子后进行探测。当光子能量提高到比如可见光波段,我们就能够进行更高效的单光子探测,包括效率和时间分辨率。”国盾量子的技术专家赵于康向澎湃新闻解释。

(a)成像目标文字:USTC(中国科技大学字母缩写)字母 (b)此次工作的非视域成像结果 (c)传统非视域成像结果

利用该单光子探测器所搭建的非视域成像系统,一方面借助于对漫反射墙回波和目标物体信号回波的分时探测,成功解决了非视域成像技术中难以实现完全同轴的成像系统的问题;另一方面借助于高时间分辨能力,成功实现了对视域外目标物体的高精度三维重构,其横向空间分辨能力达到2mm,纵向空间分辨能力达到0.18mm,与之前的结果相比提高了1个数量级。最终,研究团队成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像。
“这是个很有用的方向。为了探测漫反射光并且识别其路径,前提是有足够高的探测灵敏度和时间分辨率,这项工作的意义在于实现了这个前提并且已经达到够用水平,探测器也是实用化的。”赵于康表示,“我觉得要真正应用还有一些工程性技术难题。目前实验是对反光材料、数十厘米距离的固定目标进行成像,光接收、分辨和成像时间等条件都很理想。以后在复杂环境里,这些条件都会显著劣化。”
《物理评论快报》杂志的审稿人对这项研究的评价为“该工作对于非视域成像领域的研究工作者来说极为有趣,是一项重要的技术里程碑”(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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