Forskere bruger kvanteinspireret tilgang til at øge LiDAR-opløsningen

Forskere har vist, at en kvante-inspireret teknik kan bruges til at udføre LiDAR-billeddannelse med en meget højere dybdeopløsning, end det er muligt med konventionelle tilgange. LiDAR, som bruger laserimpulser til at indhente 3D-information om en scene eller et objekt, er normalt bedst egnet til at afbilde store objekter såsom topografiske træk eller byggede strukturer på grund af dens begrænsede dybdeopløsning.

"Selvom LiDAR kan bruges til at afbilde en persons overordnede form, fanger den typisk ikke finere detaljer såsom ansigtstræk," sagde leder af forskningsteamet Ashley Lyons fra University of Glasgow i Det Forenede Kongerige. "Ved at tilføje ekstra dybdeopløsning kunne vores tilgang fange nok detaljer til ikke kun at se ansigtstræk, men endda andres fingeraftryk."

I Optics Express , Lyons og førsteforfatter Robbie Murray beskriver den nye teknik, som de kalder billeddannelse af to-foton interferens LiDAR. De viser, at den kan skelne reflekterende overflader med mindre end 2 millimeter fra hinanden og skabe 3D-billeder i høj opløsning med opløsning i mikronskala.

"Dette arbejde kan føre til 3D-billeder med meget højere opløsning, end det er muligt nu, hvilket kan være nyttigt til ansigtsgenkendelse og sporingsapplikationer, der involverer små funktioner," sagde Lyons. "Til praktisk brug kunne konventionel LiDAR bruges til at få en nogenlunde idé om, hvor et objekt kan være, og så kunne objektet måles omhyggeligt med vores metode."

Brug af klassisk sammenfiltret lys

Den nye teknik bruger "kvanteinspireret" interferometri, som uddrager information fra den måde, to lysstråler interfererer med hinanden. Sammenfiltrede par af fotoner - eller kvantelys - bruges ofte til denne type interferometri, men tilgange baseret på fotonsammenfiltring har en tendens til at fungere dårligt i situationer med høje niveauer af lystab, hvilket næsten altid er tilfældet for LiDAR. For at overvinde dette problem anvendte forskerne det, de har lært fra kvantesansning, til klassisk (ikke-kvante) lys.

"Med kvantesammenfiltrede fotoner kan der kun genereres så mange fotonpar pr. tidsenhed, før opsætningen bliver meget teknisk krævende," sagde Lyons. "Disse problemer eksisterer ikke med klassisk lys, og det er muligt at omgå de store tab ved at skrue op for lasereffekten."

Når to identiske fotoner mødes ved en stråledeler på samme tid, vil de altid klæbe sammen eller blive viklet ind og forlade i samme retning. Klassisk lys viser den samme adfærd, men i mindre grad - det meste af tiden går klassiske fotoner i samme retning. Forskerne brugte denne egenskab ved klassisk lys til meget præcist at time ankomsten af ​​en foton ved at se på, hvornår to fotoner samtidigt ankommer til detektorer.

Forbedring af dybdeopløsning

"Tidsinformationen giver os mulighed for at udføre dybdemåling ved at sende en af ​​disse fotoner ud på 3D-scenen og derefter timing, hvor lang tid det tager for den foton at komme tilbage," sagde Lyons. "Sådan fungerer to-foton interferens LiDAR meget som konventionel LiDAR, men giver os mulighed for mere præcist at bestemme, hvor lang tid det tager for den foton at nå detektoren, hvilket direkte omsættes til større dybdeopløsning."

Forskerne demonstrerede den høje dybdeopløsning af to-fotoninterferens LiDAR ved at bruge den til at detektere de to reflekterende overflader af et stykke glas omkring 2 millimeter tykt. Traditionel LiDAR ville ikke være i stand til at skelne disse to overflader, men forskerne var i stand til klart at måle de to overflader. De brugte også den nye metode til at skabe et detaljeret 3D-kort over en 20-pence mønt med 7 mikron dybdeopløsning. Dette viser, at metoden kunne fange det detaljeringsniveau, der er nødvendigt for at differentiere centrale ansigtstræk eller andre forskelle mellem mennesker.

To-foton-interferens LiDAR fungerer også meget godt på enkelt-foton-niveau, hvilket kunne forbedre mere komplekse billedbehandlingsmetoder, der bruges til ikke-line-of-sight-billeddannelse eller billeddannelse gennem stærkt spredende medier.

I øjeblikket tager det lang tid at hente billederne, fordi det kræver scanning på tværs af alle tre rumlige dimensioner. Forskerne arbejder på at gøre denne proces hurtigere ved at reducere mængden af ​​scanning, der er nødvendig for at opnå 3D-information. + Udforsk yderligere

Billeddannelsesgennembrud kan hjælpe udviklingen af ​​kvantemikroskoper