基于超导纳米线单光子探测器的红外波段的非视距成像实现

新兴的非视距成像（NLoS）技术可以观测到位于拐角处或墙体后的物体。在一项新的研究成果中，研究人员利用一种新型探测器将这种方法从可见光波段扩展到近红外和中红外波段，这一进步助力了无人驾驶车辆、机器人视觉、内窥镜以及其他应领域的发展。

图1 非视距成像技术

天津大学胡小龙教授表示：“红外非视距成像可以帮助无人驾驶车辆检测和绕过直接不可见的障碍物，从而提高无人驾驶车辆的安全性和效率，使用近红外波段的光还可以帮助减少人眼安全问题并降低背景噪音，从而有望在白天实现更远距离的成像。”该成果由天津大学胡小龙教授与杨敬钰教授领导的科研团队合作完成。

据麦姆斯咨询报道，这项研究首次展示了利用超导纳米线单光子探测器（SNSPD）构成的先进光传感组件来实现非视距成像。该探测器在X射线至中红外波段内具有单光子灵敏度，使研究人员能够将成像技术的光谱范围扩展到近红外和中红外波段（1560 nm和1997 nm）。该研究成果以“Non-line-of-sight imaging at infrared wavelengths using a superconducting nanowire single-photon detector”为题发表于Optics Express期刊。该论文通讯作者为胡小龙教授与杨敬钰教授。

研究人员还开发了一种新算法来进一步改善系统获得的图像。胡小龙教授表示：“这一原理验证实验为更多研究机会和潜在应用打开了大门。将非视距成像推向中红外波段为许多应用带来了优势。除了改进机器人和车辆的导航之外，它还可以提高生物成像的信噪比。”

打造一双敏锐的“眼睛”

非视距成像技术利用光电探测器来探测视线外物体发射或反射的多束反射光。与激光雷达和摄像头等传统视距成像技术不同，非视距成像检测到的光线非常微弱，因此这需要非常高灵敏度的探测器。

图2 超导纳米线单光子探测器构成的非视距成像系统示意图

胡小龙教授表示：“我们设计并制造了一种超导纳米线单光子探测器，它可以作为一双非常灵敏的眼睛，看到隐藏在角落里的物体。该探测器在近红外和中红外光谱范围内的探测效率优于其他单光子探测器，这使得在更长波长下进行非视距成像成为可能。”

超导纳米线单光子探测器存在这样的事实：单光子会破坏其超导性。这样会产生可测量的电阻变化，从而可以高效地检测单个光子。在该研究中，研究人员制造了由40 nm宽的纳米线以分形图案排列而成的单光子探测器。这种图案在不同放大倍率下表现出相似的形状，使得有效检测所有偏振光子成为可能。该探测器被冷却至约2 K（接近于绝对零度），这是实现超导性所必需的条件。

图3 超导纳米线单光子探测器

红外波段的非视距成像

在证明该超导纳米线单光子探测器比 InGaAs/InP 单光子雪崩二极管具有更优秀的时间分辨率和更低的噪声后，研究人员使用该探测器在1560 nm和 1997 nm 处进行了非视距成像。

图4 1560 nm的非视距成像结果

图5 1997 nm的非视距成像结果

研究人员在这两种波长下均实现了小于2 cm的空间分辨率。实验结果表明，与使用其他方法重建图像相比，使用该新算法重建图像具有更低的均方根误差（即为衡量与理想图像偏差的指标）。未来，研究人员将继续深耕该方向，探索更多波段，探究实现超导纳米线单光子探测器阵列的方法，尝试利用新系统在白天实现更远距离的非视距成像，从而实现更广阔的应用。

审核编辑：黄飞