单光子成像技术可用于生物医学应用

科学家们首次报告了利用量子幽灵成像技术获得的三维测量结果。这种新方法可以在单光子水平上进行三维成像，从而为任何测量提供可行的最低光子剂量。

研究人员开发出一种新方法，可通过一种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

"单光子三维成像可用于各种生物医学应用，如眼科诊断。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 Carsten Pitsch 表示："它可以用于对光敏感的材料和组织的成像，也可以用于在光照下产生毒性的药物的成像，而不会有任何损伤风险。

在 Optica 出版集团的《应用光学》杂志上，科学家们介绍了他们的新方法，该方法集成了新型单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器。他们采用新的成像方案（他们称之为异步检测）来执行三维成像和量子幽灵成像。

异步检测可能也适用于军事或安全应用，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，它可以同时记录多个光谱区域，同时使用非常低的光子剂量。这对生物分析非常有用。

Carsten Pitsch，弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像利用研究所研究员

增加第三个维度

量子鬼影成像利用纠缠光子对制作图像，其中只有一个光子对与物体合作。此外，利用每个光子的探测时间来确定纠缠光子对，从而重建图像。

这种方法不仅能在极低的光照水平下成像，还意味着被成像物体无需与用于成像的光子相互作用。

早期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。尽管这种相机具有良好的空间分辨率，但它们是时间门控的，无法对单光子进行单独的时间检测。

为了解决这个问题，科学家们提出了一种基于为激光雷达和医学成像开发的新型单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的装置。这种探测器由多个独立的像素组成，具有稳定的定时电路，能够以皮秒级的分辨率记录每个像素的探测时间。

新方法利用两个纠缠光子--信号光子和惰光子--实现单光子照明三维成像。这包括将惰光子引导到物体上，并进一步及时检测反向散射光子。

与此同时，信号光子被引导到一个专用相机上，该相机可以在空间和时间上检测到尽可能多的光子。

此外，科学家们还将每个像素的探测时间与单像素探测器的探测时间进行了比较，以重建纠缠。这样还能确定相互作用的惰性光子的飞行时间，从而确定物体的深度。

适应性强的设置
另一项主要创新是对用于制造纠缠光子的 KTP 晶体进行周期性极化。

这使得几乎任何泵浦-信号-惰轮三重信号都能实现高效的准相位匹配，并让我们能够自由选择波长进行照明和成像。它还能使我们的装置适用于许多其他应用或波长。

弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像利用研究所研究员 Carsten Pitsch

科学家们利用两个不同的独立设置，展示了他们的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，利用两个空间上分离的臂来获取图像。

通过这种设置，科学家们可以检查 SPAD 的性能，并增强重合探测能力。另一种装置利用了自由空间光学技术，更加以应用为中心。不是用两个分开的臂成像，而是对同一臂上的两个物体进行成像。

尽管还需要做更多的工作，但作为新方法的概念验证，这两种设置都很有效。此外，实验还表明，异步探测可用于远程探测，这对进行大气测量大有裨益。

目前，为了提高占空比和空间分辨率，科学家们正在与 SPAD 制造商合作。这是为了提高 SPAD 相机探测器的开启时间比例。此外，他们还计划用一种更快的自由空间耦合探测器来替代光纤耦合惰性探测器。

最后，研究人员计划采用高光谱成像装置，在不需要在这种波长下工作的探测器的情况下，在重要的中红外光谱中执行成像。

参考资料

Pitsch, C., et al. (2023) 3D quantum ghost imaging. Applied Optics. doi.org/10.1364/AO.492208.