研究人员利用 SPAD 探测器实现三维量子幽灵成像

研究人员开发了一种新方法，可以利用一种被称为量子幽灵成像的计算成像方法获取三维测量结果。光学装置左侧所示的 SPAD 阵列探测器是这项新技术的关键。图片来源：弗劳恩霍夫 IOSB/indigo

研究人员报告了首次利用量子幽灵成像技术获得的三维测量结果。这项新技术能够在单光子水平上进行三维成像，从而在任何测量中都能获得最低的光子剂量。

"德国弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像利用研究所和卡尔斯鲁厄理工学院的研究员卡斯滕-皮奇说："单光子三维成像可用于各种生物医学应用，如眼科诊断。"它可以应用于对光敏感的材料和组织的成像，也可以应用于在光照下会产生毒性的药物的成像，而不会有任何损坏的风险"。

在《应用光学》杂志上，研究人员介绍了他们的新方法，其中采用了新型单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器。他们将新的成像方案称为异步检测，以量子鬼影成像技术进行三维成像。

"Pitsch说："异步检测也可能对军事或安全应用有用，因为它可以在不被检测到的情况下进行观测，同时还能减少过度照明、湍流和散射的影响。"我们还想研究它在高光谱成像中的应用，它可以在使用极低光子剂量的情况下同时记录多个光谱区域。这可能对生物分析非常有用。

增加第三个维度
量子幽灵成像利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。然后利用每个光子的探测时间来识别纠缠光子对，从而重建图像。这种方法不仅可以在极低的光照水平下成像，还意味着被成像物体不必与用于成像的光子发生相互作用。

以前的量子幽灵成像装置无法进行三维成像，因为它们依赖于强化电荷耦合器件（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，无法对单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新型单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的装置，这种阵列是为激光雷达和医学成像开发的。这些探测器有多个独立的像素，并配有专用的定时电路，因此能以皮秒级的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--信号光子和惰光子--通过单光子照明获得三维图像。这包括将惰光子照射到物体上，然后及时检测反向散射光子。与此同时，信号光子被导入一个专用相机，该相机可以在时间和空间上检测到尽可能多的光子。

然后，研究人员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，并由此确定物体的深度。

适应性强的装置
另一项关键创新是对用于产生纠缠光子的 KTP 晶体进行周期性极化。"Pitsch说："这使得几乎所有泵浦-信号-idler三元组都能实现高效的准相位匹配，让我们可以自由选择波长进行照明和成像。"Pitsch 说道，"它还能让我们调整设置，以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演示了其异步检测方案的三维功能。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采集图像。通过这种设置，研究人员可以分析 SPAD 的性能并改进重合检测。另一种装置采用自由空间光学技术，更侧重于应用。不是用两个分开的臂进行成像，而是对同一臂上的两个物体进行成像。

虽然还需要做更多的工作，但这两种设置作为新技术的概念验证演示效果都很好。实验还表明，异步探测可用于远程探测，这对大气测量非常有用。

研究人员目前正在与 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）。他们还计划用最近推出的速度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，他们还计划将该装置应用于高光谱成像，这样就可以在重要的中红外光谱中进行成像，而无需使用这些波长的探测器。
参考资料

Carsten Pitsch et al, 3D Quantum Ghost Imaging, Applied Optics (2023). DOI: 10.1364/AO.492208