利用SPAD探测器实现3D量子鬼成像

据麦姆斯咨询介绍，德国研究人员首次报道了使用量子鬼成像获得的3D测量结果。这项新技术能够在单光子水平上进行3D成像，从而为各种测量提供最低的光子剂量。

光学装置左侧的SPAD阵列探测器是这项新技术的关键

“单光子3D成像可用于各种生物医学应用，例如眼部护理诊断等。”来自德国弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像处理研究所（Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation）和卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的研究人员Carsten Pitsch说道，“单光子3D成像可以被应用于对光敏感的材料和组织，或暴露在光线下就变得有毒的药物，而没有任何破坏风险。”

研究人员介绍了他们结合新的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器的成像方法，并将新的成像方案（称之为异步检测）应用于量子鬼成像的3D成像，相关研究成果以“3D quantum ghost imaging”为题发表在Applied Optics期刊上。

研究人员使用的SPAD图像传感器

“异步检测在军事或安全应用中也很有用，因为它可以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。”Pitsch继续说，“我们还想研究它在高光谱成像中的应用，这可以在使用非常低的光子剂量的情况下，同时记录多个光谱区域。这对生物分析非常有用。”

增加第三维度感测

以前的量子鬼成像装置不能进行3D成像，因为它们依赖于增强型电荷耦合器件（ICCD）相机。虽然这些相机具有良好的空间分辨率，但它们是时间门控的，不允许对单个光子进行独立的时间探测。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于新的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器的装置，该阵列是为激光雷达（LiDAR）和医疗成像应用开发的。这些探测器具有多个独立的像素和专用的定时电路，这使得其能够以皮秒分辨率记录每个像素的探测时间。

这种新方法使用两个纠缠光子——一个信号（signal）光子和一个闲频（idler）光子——在单光子照射下获得3D图像。这包括将闲频光子引导到物体上，然后及时探测反向散射光子。与此同时，信号光子被引导到一个专用相机，该相机在时间和空间上探测尽可能多的光子。然后，研究人员将每个像素的探测时间与单像素探测器的探测时间进行比较，以重建纠缠。这也使他们能够确定相互作用的闲频光子的飞行时间，并由此确定物体的深度信息。

适应性强的成像装置

另一个关键的创新是磷酸钛氧钾（KTP）晶体的周期性极化，用于产生纠缠光子。“这使得几乎任何泵浦-信号-闲频光子的三重态都可以实现高效的准相位匹配，并让我们自由选择照明和成像的波长。”Pitsch说，“它还能让我们将装置应用于许多其它应用或波长。”

研究人员使用两种不同的独立装置展示了他们的异步检测方案的3D能力。一个类似于迈克尔逊（Michelso）干涉仪，使用两个空间分离的光束获取图像。这种装置使研究人员能够分析SPAD性能，并改进符合探测。另一种装置使用了自由空间光学器件，更加以应用为中心。

用于3D成像的装置

尽管还需要做更多的工作，但是这两种装置都可以很好地作为新技术的概念验证演示。实验还表明，异步检测可以用于远程探测，这可能对大气测量有用。

迈克尔逊装置的实验结果

自由空间装置的实验结果

研究人员目前正在与一家SPAD制造商合作，以提高SPAD相机的空间分辨率和占空比（探测器开启的时间百分比）。他们还计划用最近上市的更快的自由空间耦合探测器取代光纤耦合闲频探测器。最后，他们计划将该装置应用于高光谱成像，这可以用于在重要的中红外波段进行成像，而无需在这些波长下工作的探测器。

论文信息：
DOI: doi.org/10.1364/AO.492208