研究人员利用量子激发将激光雷达分辨率提升至7微米

2022-07-21 14:58

研究人员已经证明，量子激发技术可以用来进行激光雷达成像，并且其深度分辨率比传统方法高得多。以往，激光雷达使用激光脉冲获取场景或物体的3D信息，但由于其有限的深度分辨率，通常最适合用于对大型物体(如地形特征或建筑物)进行成像。

而最近，格拉斯哥大学(University of Glasgow)的一个项目宣布开发出了一种具备深度分辨率的激光雷达。与传统的毫米级性能相比，这种激光雷达可以区分小于2毫米的反射表面，并创建7微米左右的高分辨率3D图像。它能够捕捉到足够清晰的细节，不仅可以看到面部特征，还甚至可以看到某人的指纹。

图片来源：University of Glasgow

这将使激光雷达的分辨率能够轻松应用到OCT平台的水平。而这一改进背后的原理源于该项目对“量子OCT”技术最近发展的研究，“量子OCT”技术主要通过两个单光子探测器的相关事件获得飞行时间信息。

格拉斯哥项目探索了在弱相干态光之间使用双光子干涉（two-photon interference）的潜力，专门用于激光雷达应用。这可以为光学相干断层扫描（OCT）提供微米级的深度分辨率，同时也不受相位噪声的影响，并能够在高损耗环境中工作。

格拉斯哥的装置旨在测量双光子干涉，其原理是利用两个光子在干涉仪的分束器上相遇并产生纠缠，然后将其中一个发送到3D场景中，并使另一个保持在可控延迟线上。

研究团队表示，检测光子对相关态可以比普通干涉更为精确地测量出离开光子返回所需的时间，从而转化为更大的深度分辨率。据该项目计算，其平台的理论深度分辨率可以小至7微米。

在他们的实验中，研究人员通过探测约2毫米厚的玻璃的两个反射面，证明了双光子干涉激光雷达的高深度分辨率。传统的激光雷达无法区分这两个表面，但现在上述研究团队可以通过测量做到这一点。

通过这种新方法，研究人员制作了一枚20便士硬币的详细3D地图，深度分辨率为7微米。这种程度的细节可以帮助在面部识别服务中区分关键的面部特征或不同人物的其他差异。

目前，增加深度分辨率的代价是更长的成像时间，20便士硬币的图像以往通常需要10多个小时才能生成，而该项目设想了一种多脉冲相关方法，可以在大约30秒内达到相同的结果。

传统激光雷达平台的商业化目前正在稳步推进，不过许多开发商在这个过程中烧钱不断。虽然这主要是由汽车应用和激光雷达在自动驾驶汽车上的应用推动的，但这一行业的不少代表性企业却认为，激光雷达将改变我们所了解的几乎每个行业。

双光子干涉激光雷达可以增强更复杂的成像方法，用于非视距成像或通过高散射介质成像。格拉斯哥的研究小组希望，他们的新激光雷达原理能在3D生物识别平台上发挥作用，同时也能探测微型物体。

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