双光子干涉激光雷达，将深度分辨率提升至微米级
2022-07-23 10:21:05   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）将量子干涉测量技术应用到激光雷达（LiDAR）中，以探测更微小的深度特征。

研究人员利用他们开发的双光子干涉激光雷达，对一枚面值为“20便士”的硬币进行3D成像

据麦姆斯咨询报道，与传统激光雷达的毫米级性能相比，格拉斯哥大学开发的双光子干涉激光雷达有潜力探测并创建具有微米级分辨率的3D图像。

这将使激光雷达的分辨率提升到光学相干断层扫描（OCT）平台的水平。这项研究的改进原理源自该项目对“量子OCT”技术的最新研究成果——由两个单光子探测器上的相关事件获取飞行时间（time-of-flight）信息。

这项研究成果已发表于近期的Optics Express期刊，格拉斯哥大学的这项研究探索了光的弱相干态间使用双光子干涉（TPI）的潜力，特别是针对激光雷达应用。这可以提供OCT微米级深度分辨率，同时还不受相位噪声的影响，并且能够在高损耗环境中工作。

格拉斯哥大学研究团队负责人Ashley Lyons说：“尽管激光雷达已经可以对一个人的整体形状进行成像，但它们通常无法捕捉面部特征等更精细的细节。通过增加额外的深度分辨率，我们的方法可以捕捉足够的细节，不仅可以看清面部特征，甚至可以看到某人的指纹。”

高光损耗情况下使用光子纠缠的干涉测量方法往往很困难，该项目指出，对于激光雷达来说便是如此。

Lyons说：“对于量子纠缠光子，在装置技术要求发展到非常高之前，单位时间只能产生这么多光子对。经典光则不存在这些问题，通过提高激光功率可以解决高损耗问题。”

A）双光子干涉激光雷达概念的工作原理；B）实验装置示意图。

他们开发的激光雷达旨在通过利用两个光子在干涉仪中分束器处相遇并形成纠缠来测量双光子干涉，然后将其中一个光子发送到3D场景中，将另一个光子保持在受控的延迟线中。

通过检测光子对相关状态，而不是通过正常干涉，可以更精确地测量离开的光子返回所需要的时间，从而转化为更高的深度分辨率。该项目计算出其平台的理论深度分辨率可低至7微米。

人脸识别

在试验中，研究人员利用新开发的激光雷达对一块厚度约为2毫米的玻璃的两个反射面成像，这是传统激光雷达无法区分的，并对一枚20便士硬币进行3D成像。然而，目前增加深度分辨率需要更长的成像时间，生成一枚20便士硬币的3D图像需要超过10个小时。不过，研究团队设想了一种多脉冲相关方法，以在大约30秒内实现相同的结果。

传统激光雷达平台的商业化目前正在加速推进，市场上有很多创新厂商正在这一过程中持续烧钱。尽管目前主要由汽车驾驶辅助和自动驾驶应用推动，但有厂商评论称，“激光雷达的应用有望变革我们所知道的几乎所有行业。”

格拉斯哥大学的研究团队期望他们开发的创新激光雷达原理能够应用于3D生物识别平台以及微型物体检测。

Lyons表示：“这项研究有望提供更高分辨率的3D成像，这对涉及细微特征的人脸识别和跟踪应用非常有用。在实际应用中，可以使用传统激光雷达粗略了解物体的位置，然后用我们的方法对目标进行精细测量。”

延伸阅读：

《汽车激光雷达（LiDAR）专利全景分析-2022版》

《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》

《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》