研究人員報告了通過量子鬼成像獲得的第乙個3d測量結果。這項新技術能夠在單光子水平上進行3d成像，從而為任何測量提供最低的光子劑量。
德國弗勞恩霍夫光電、系統技術和影象開發研究所和卡爾斯魯厄理工學院的研究員carsten pitsch表示，單光子3d成像可用於各種生物醫學應用，如眼部護理診斷。它可以應用於對光敏感的影象材料和組織，也可以應用於暴露在光下有毒的藥物，而不會造成任何損壞。
在optica出版集團的期刊《 應用光學》中，研究人員描述了他們的新方法，該方法採用了新型單光子雪崩二極體(spad)陣列探測器。他們應用了稱為非同步檢測的新成像方案，通過量子鬼成像執行3d成像。
pitsch說：“非同步檢測對於軍事或安全應用也可能有用，因為它可以用於在不被發現的情況下進行觀察，同時還可以減少過度照明、湍流和散射的影響。我們還想研究它在高光譜成像中的應用，這可以允許在使用非常低的光子劑量的情況下同時記錄多個光譜區域。這對生物分析非常有用。”
量子鬼成像使用糾纏光子對建立影象，其中光子對中只有乙個成員與物體相互作用。然後使用每個光子的檢測時間來識別糾纏對，從而可以重建影象。這種方法不僅允許在極低的光照水平下成像，而且意味著被成像的物體不必與用於成像的光子相互作用。
以前的量子鬼成像裝置無法進行3d成像，因為它們依賴於增強型電荷耦合器件(iccd)相機。儘管這些相機具有良好的空間解析度，但它們是時間選通的，並且不允許對單個光子進行獨立的時間檢測。
為了解決這個問題，研究人員開發了一種基於專為雷射雷達和醫學成像開發的新型單光子雪崩二極體（spad）陣列的裝置。這些探測器具有多個帶有專用定時電路的獨立畫素，這使得它們能夠以皮秒解析度記錄每個畫素的探測時間。
新方法使用兩個糾纏光子（訊號光子和閒頻光子）來獲得單光子照明的3d影象。這涉及將閒置光子引導到物體上，然後及時檢測反向散射光子。同時，訊號光子被引導至專用相機，該相機在時間和空間上檢測盡可能多的光子。研究人員隨後將每個畫素的檢測時間與單畫素檢測器的檢測時間進行比較，以重建糾纏。這也使他們能夠確定相互作用的閒置光子的飛行時間，從而確定物體的深度。
另乙個關鍵創新是用於產生糾纏光子的ktp晶體的週期性極化。pitsch說：“這使得幾乎任何三重態的幫浦浦訊號閒頻都可以進行高效的準相位匹配，並讓我們可以自由選擇照明和成像的波長。它還使我們能夠將設定適應許多其他應用或波長。”
研究人員使用兩種不同的獨立設定展示了其非同步檢測方案的3d功能。其中乙個類似於麥可遜干涉儀，使用兩個空間上分離的臂獲取影象。這種設定使研究人員能夠分析spad效能並改進重合檢測。另一種設定使用自由空間光學器件，更以應用為中心。不是用兩個分開的手臂進行成像，而是對同一手臂中的兩個物體進行成像。
儘管還需要做更多的工作，但這兩種設定都可以很好地作為新技術的概念驗證演示。實驗還表明，非同步檢測可用於遠端檢測，這對大氣測量很有用。
研究人員目前正在與spad製造商合作，提高spad相機的空間解析度和占空比（探測器開啟的時間百分比）。他們還計畫用最近推出的更快的自由空間耦合探測器取代光纖耦合閒頻探測器。最後，他們計畫將該裝置應用於高光譜成像，該成像可用於在重要的中紅外光譜中進行成像，而不需要在這些波長下工作的探測器。
這項研究於8月8日發表在《applied optics》期刊上，doi：10.1364/ao.492208
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