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科研进展

2021年07月30日
中国科大实现高精度非视域成像

中国科学技术大学教授潘建伟、张强、徐飞虎等与济南量子技术研究院合作,利用频率上转换单光子探测技术,实验实现了毫米级非视域三维成像,是目前非视域成像的最高精度,为该技术的实用化发展开辟了新道路。研究成果于2021年7月28日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上,并被美国物理协会下属网站Physics SYNOPSIS栏目专题报道。

传统光学成像手段只能对相机视场范围内的目标物体进行成像。非视域成像利用单光子探测技术记录单个光子的飞行时间信息,结合相关计算成像算法,可以实现对相机视场范围外的目标成像。该技术在反恐侦察、医疗检测等领域具有广泛的应用价值。在非视域成像技术中,由于光子的飞行时间信息包含了物体间的相对空间位置信息,故对光子飞行时间记录的精度会直接影响物体三维空间重构的精度。传统的非视域成像实验受限于单光子探测器的时间分辨能力(最优几十皮秒),其成像精度仅能达到厘米级。

中国科大研究团队利用脉冲泵浦频率上转换探测技术,实现了时间分辨能力达到1.4皮秒的近红外单光子探测器,并通过长波泵浦和时间域滤波方式将探测器的暗计数降低至5Hz(详见图1)。利用该单光子探测器所搭建的非视域成像系统,一方面借助于对漫反射墙回波和目标物体信号回波的分时探测,成功解决了非视域成像技术中难以实现完全同轴的成像系统的问题;另一方面借助于高时间分辨能力,成功实现了对视域外目标物体的高精度三维重构,其横向空间分辨能力达到2mm,纵向空间分辨能力达到0.18mm。最终,研究团队成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像(详见图2)。

《物理评论快报》杂志的审稿人给予高度评价,称赞“该工作对于非视域成像领域的研究工作者来说极为有趣,是一项重要的技术里程碑”(This work is an important technical milestone, which will be very interesting to everyone working in the field of (NLOS) imaging.)。该工作有望在非视域目标探测、反恐防暴、紧急救援、智能驾驶等领域得到应用,该工作得到科技部、基金委、山东省、安徽省等的资助和支持。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.053602

Physics网站新闻链接:https://physics.aps.org/articles/v14/s97

图1. (a).高精度非视域成像装置,(b).脉冲泵浦上转换单光子探测器时间分辨力实验结果,(c).脉冲泵浦上转换单光子探测器探测效率及暗计数实验结果。

图2. (a).成像目标文字,(b).本工作非视域成像结果, (c).传统非视域成像结果。


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)

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