基于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的紅外波段的非視距成像實(shí)現(xiàn)

新興的非視距成像（NLoS）技術(shù)可以觀測(cè)到位于拐角處或墻體后的物體。在一項(xiàng)新的研究成果中，研究人員利用一種新型探測(cè)器將這種方法從可見(jiàn)光波段擴(kuò)展到近紅外和中紅外波段，這一進(jìn)步助力了無(wú)人駕駛車(chē)輛、機(jī)器人視覺(jué)、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(wú)人駕駛車(chē)輛檢測(cè)和繞過(guò)直接不可見(jiàn)的障礙物，從而提高無(wú)人駕駛車(chē)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(wèn)題并降低背景噪音，從而有望在白天實(shí)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(tuán)隊(duì)合作完成。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，這項(xiàng)研究首次展示了利用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）構(gòu)成的先進(jìn)光傳感組件來(lái)實(shí)現(xiàn)非視距成像。該探測(cè)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(kuò)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(kāi)發(fā)了一種新算法來(lái)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)為更多研究機(jī)會(huì)和潛在應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。將非視距成像推向中紅外波段為許多應(yīng)用帶來(lái)了優(yōu)勢(shì)。除了改進(jìn)機(jī)器人和車(chē)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(cè)器來(lái)探測(cè)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(cè)到的光線非常微弱，因此這需要非常高靈敏度的探測(cè)器。

圖2超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)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?cè)O(shè)計(jì)并制造了一種超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)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(cè)器在近紅外和中紅外光譜范圍內(nèi)的探測(cè)效率優(yōu)于其他單光子探測(cè)器，這使得在更長(zhǎng)波長(zhǎng)下進(jìn)行非視距成像成為可能。”

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器存在這樣的事實(shí)：?jiǎn)喂庾訒?huì)破壞其超導(dǎo)性。這樣會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電阻變化，從而可以高效地檢測(cè)單個(gè)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(cè)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(cè)所有偏振光子成為可能。該探測(cè)器被冷卻至約2 K（接近于絕對(duì)零度），這是實(shí)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(cè)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(cè)器比 InGaAs/InP 單光子雪崩二極管具有更優(yōu)秀的時(shí)間分辨率和更低的噪聲后，研究人員使用該探測(cè)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(zhǎng)下均實(shí)現(xiàn)了小于2 cm的空間分辨率。實(shí)驗(yàn)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(lái)，研究人員將繼續(xù)深耕該方向，探索更多波段，探究實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器陣列的方法，嘗試?yán)眯孪到y(tǒng)在白天實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的非視距成像，從而實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用。

審核編輯：黃飛