基于超導(dǎo)納米線單光子探測器的紅外波段的非視距成像實現(xiàn)

新興的非視距成像（NLoS）技術(shù)可以觀測到位于拐角處或墻體后的物體。在一項新的研究成果中，研究人員利用一種新型探測器將這種方法從可見光波段擴展到近紅外和中紅外波段，這一進(jìn)步助力了無人駕駛車輛、機器人視覺、內(nèi)窺鏡以及其他應(yīng)領(lǐng)域的發(fā)展。

圖1非視距成像技術(shù)

天津大學(xué)胡小龍教授表示：“紅外非視距成像可以幫助無人駕駛車輛檢測和繞過直接不可見的障礙物，從而提高無人駕駛車輛的安全性和效率，使用近紅外波段的光還可以幫助減少人眼安全問題并降低背景噪音，從而有望在白天實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的成像?！痹摮晒商旖虼髮W(xué)胡小龍教授與楊敬鈺教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊合作完成。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，這項研究首次展示了利用超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）構(gòu)成的先進(jìn)光傳感組件來實現(xiàn)非視距成像。該探測器在X射線至中紅外波段內(nèi)具有單光子靈敏度，使研究人員能夠?qū)⒊上窦夹g(shù)的光譜范圍擴展到近紅外和中紅外波段（1560 nm和1997 nm）。該研究成果以“Non-line-of-sight imaging at infrared wavelengths using a superconducting nanowire single-photon detector”為題發(fā)表于Optics Express期刊。該論文通訊作者為胡小龍教授與楊敬鈺教授。

研究人員還開發(fā)了一種新算法來進(jìn)一步改善系統(tǒng)獲得的圖像。胡小龍教授表示：“這一原理驗證實驗為更多研究機會和潛在應(yīng)用打開了大門。將非視距成像推向中紅外波段為許多應(yīng)用帶來了優(yōu)勢。除了改進(jìn)機器人和車輛的導(dǎo)航之外，它還可以提高生物成像的信噪比?！?/p>

打造一雙敏銳的“眼睛”

非視距成像技術(shù)利用光電探測器來探測視線外物體發(fā)射或反射的多束反射光。與激光雷達(dá)和攝像頭等傳統(tǒng)視距成像技術(shù)不同，非視距成像檢測到的光線非常微弱，因此這需要非常高靈敏度的探測器。

圖2超導(dǎo)納米線單光子探測器構(gòu)成的非視距成像系統(tǒng)示意圖

胡小龍教授表示：“我們設(shè)計并制造了一種超導(dǎo)納米線單光子探測器，它可以作為一雙非常靈敏的眼睛，看到隱藏在角落里的物體。該探測器在近紅外和中紅外光譜范圍內(nèi)的探測效率優(yōu)于其他單光子探測器，這使得在更長波長下進(jìn)行非視距成像成為可能?！?/p>

超導(dǎo)納米線單光子探測器存在這樣的事實：單光子會破壞其超導(dǎo)性。這樣會產(chǎn)生可測量的電阻變化，從而可以高效地檢測單個光子。在該研究中，研究人員制造了由40 nm寬的納米線以分形圖案排列而成的單光子探測器。這種圖案在不同放大倍率下表現(xiàn)出相似的形狀，使得有效檢測所有偏振光子成為可能。該探測器被冷卻至約2 K（接近于絕對零度），這是實現(xiàn)超導(dǎo)性所必需的條件。

圖3 超導(dǎo)納米線單光子探測器

紅外波段的非視距成像

在證明該超導(dǎo)納米線單光子探測器比 InGaAs/InP 單光子雪崩二極管具有更優(yōu)秀的時間分辨率和更低的噪聲后，研究人員使用該探測器在1560 nm和 1997 nm 處進(jìn)行了非視距成像。

圖4 1560 nm的非視距成像結(jié)果

圖51997 nm的非視距成像結(jié)果

研究人員在這兩種波長下均實現(xiàn)了小于2 cm的空間分辨率。實驗結(jié)果表明，與使用其他方法重建圖像相比，使用該新算法重建圖像具有更低的均方根誤差（即為衡量與理想圖像偏差的指標(biāo)）。未來，研究人員將繼續(xù)深耕該方向，探索更多波段，探究實現(xiàn)超導(dǎo)納米線單光子探測器陣列的方法，嘗試?yán)眯孪到y(tǒng)在白天實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的非視距成像，從而實現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用。

審核編輯：黃飛