潘建偉團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)毫米級非視域三維成像，為實(shí)用化開辟新道路

　　根據(jù)中國科技大學(xué)官網(wǎng)7月30日消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、張強(qiáng)、徐飛虎等與濟(jì)南量子技術(shù)研究院合作，利用頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了毫米級非視域三維成像，比之前的分辨率提高1個數(shù)量級，是目前非視域成像的最高精度，為該技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展開辟了新道路。

　　研究成果于2021年7月28日發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上，并被美國物理協(xié)會下屬網(wǎng)站Physics SYNOPSIS欄目專題報道。

　　非視域（Non-Line-of-Sight，簡稱NLOS）成像是一種針對隱藏物體成像的光學(xué)成像技術(shù)，即可以做到所謂“隔墻觀物”。這項技術(shù)在反恐防暴、醫(yī)療檢測、緊急救援、智能駕駛等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

　　“非視域成像技術(shù)是近幾年新興的技術(shù)，目前主要是在科研創(chuàng)新階段，實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化剛剛起步。實(shí)用化需要解決快速探測、高精度成像、復(fù)雜場景成像等實(shí)際問題?！币晃粐鴥?nèi)知名量子物理學(xué)家對澎湃新聞記者表示，此項工作主要實(shí)現(xiàn)了高時間精度的單光子探測技術(shù)，基于此核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了目前最高精度（毫米精度）的非視域成像。

　　論文表示，與傳統(tǒng)的光學(xué)成像相比，非視域成像分析多次反射的少量光子，而非一次反射直接進(jìn)入探測器的光子。因此，該過程在理論和實(shí)驗(yàn)上都涉及幾個挑戰(zhàn)，如成像算法、高效單光子檢測和光子飛行時間 (TOF) 測量的時間分辨率。

　　非視域成像利用單光子探測技術(shù)記錄單個光子的飛行時間信息，結(jié)合相關(guān)計算成像算法，可以實(shí)現(xiàn)對相機(jī)視場范圍外的目標(biāo)成像。

　　徐飛虎教授曾在演講中介紹，非視域單光子相機(jī)使用的方法是，首先主動發(fā)一束光，光會經(jīng)過墻（中介面）和隱藏物體的多次漫反射（這其中經(jīng)過三次漫反射：激光器發(fā)射的光子在墻上，經(jīng)漫反射到整個空間；光反射到隱藏的物體上，再從隱藏的物體漫反射到墻上；然后通過墻漫反射回來），再探測返回的光子。通過計算這些光子所包含的飛行時間信息，就能實(shí)現(xiàn)對隱藏物體的重建。

　　由于光子的飛行時間信息包含了物體間的相對空間位置信息，因此，對光子飛行時間記錄的精度會直接影響物體三維空間重構(gòu)的精度。傳統(tǒng)的非視域成像實(shí)驗(yàn)受限于單光子探測器的時間分辨能力（最優(yōu)幾十皮秒），其成像精度僅能達(dá)到厘米級。

　　而本次研究中，中國科大研究團(tuán)隊利用脈沖泵浦頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了時間分辨能力達(dá)到1.4皮秒的近紅外單光子探測器，并通過長波泵浦和時間域?yàn)V波方式將探測器的暗計數(shù)降低至5Hz。（暗計數(shù)是探測器的一種誤差。由于非信號光和電噪聲可能被單光子探測器誤認(rèn)為是有效光信號，因而產(chǎn)生誤差。）

　　“頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)是指將低頻率的光子通過在非線性晶體中和泵浦光發(fā)生和頻作用，轉(zhuǎn)化為高頻率的光子后進(jìn)行探測。當(dāng)光子能量提高到比如可見光波段，我們就能夠進(jìn)行更高效的單光子探測，包括效率和時間分辨率。”國盾量子的技術(shù)專家趙于康向澎湃新聞記者解釋。

　　利用該單光子探測器所搭建的非視域成像系統(tǒng)，一方面借助于對漫反射墻回波和目標(biāo)物體信號回波的分時探測，成功解決了非視域成像技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)完全同軸的成像系統(tǒng)的問題；另一方面借助于高時間分辨能力，成功實(shí)現(xiàn)了對視域外目標(biāo)物體的高精度三維重構(gòu)，其橫向空間分辨能力達(dá)到2mm，縱向空間分辨能力達(dá)到0.18mm，與之前的結(jié)果相比提高了1個數(shù)量級。最終，研究團(tuán)隊成功對視域外毫米級大小的字母實(shí)現(xiàn)了高精度非視域成像。

　　“這是個很有用的方向。為了探測漫反射光并且識別其路徑，前提是有足夠高的探測靈敏度和時間分辨率，這項工作的意義在于實(shí)現(xiàn)了這個前提并且已經(jīng)達(dá)到夠用水平，探測器也是實(shí)用化的?！壁w于康表示，“我覺得要真正應(yīng)用還有一些工程性技術(shù)難題。目前實(shí)驗(yàn)是對反光材料、數(shù)十厘米距離的固定目標(biāo)進(jìn)行成像，光接收、分辨和成像時間等條件都很理想。以后在復(fù)雜環(huán)境里，這些條件都會顯著劣化?！?/p>

　　《物理評論快報》雜志的審稿人對這項研究的評價為“該工作對于非視域成像領(lǐng)域的研究工作者來說極為有趣，是一項重要的技術(shù)里程碑”（This work is an important technical milestone, which will be very interesting to everyone working in the field of (NLOS) imaging.）。（記者：劉航）

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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