Onderzoekers hebben aangetoond dat een op kwantum geïnspireerde techniek kan worden gebruikt om LiDAR-beeldvorming uit te voeren met een veel hogere diepteresolutie dan mogelijk is met conventionele benaderingen. LiDAR, dat laserpulsen gebruikt om 3D-informatie over een scène of object te verkrijgen, is meestal het meest geschikt voor het afbeelden van grote objecten zoals topografische kenmerken of gebouwde structuren vanwege de beperkte diepteresolutie.

"Hoewel LiDAR kan worden gebruikt om de algehele vorm van een persoon in beeld te brengen, legt het meestal geen fijnere details vast, zoals gelaatstrekken", zei onderzoeksteamleider Ashley Lyons van de Universiteit van Glasgow in het Verenigd Koninkrijk. "Door extra diepteresolutie toe te voegen, kon onze aanpak voldoende details vastleggen om niet alleen gelaatstrekken te zien, maar zelfs iemands vingerafdrukken."

In Optics Express , Lyons en eerste auteur Robbie Murray beschrijven de nieuwe techniek, die ze beeldvorming met twee fotoninterferentie LiDAR noemen. Ze laten zien dat het reflecterende oppervlakken op minder dan 2 millimeter van elkaar kan onderscheiden en 3D-beelden met hoge resolutie kan maken met een resolutie op micronschaal.

"Dit werk zou kunnen leiden tot 3D-beeldvorming met een veel hogere resolutie dan nu mogelijk is, wat handig zou kunnen zijn voor gezichtsherkenning en trackingtoepassingen met kleine functies", zei Lyons. "Voor praktisch gebruik zou conventionele LiDAR kunnen worden gebruikt om een ​​globaal idee te krijgen van waar een object zou kunnen zijn en dan zou het object zorgvuldig kunnen worden gemeten met onze methode."

Klassiek verstrengeld licht gebruiken

De nieuwe techniek maakt gebruik van "quantum-geïnspireerde" interferometrie, die informatie haalt uit de manier waarop twee lichtstralen met elkaar interfereren. Verstrengelde fotonenparen - of kwantumlicht - worden vaak gebruikt voor dit type interferometrie, maar benaderingen op basis van fotonenverstrengeling hebben de neiging slecht te presteren in situaties met veel lichtverlies, wat bijna altijd het geval is voor LiDAR. Om dit probleem op te lossen, hebben de onderzoekers wat ze geleerd hebben van kwantumdetectie toegepast op klassiek (niet-kwantum) licht.

"Met kwantumverstrengelde fotonen kunnen slechts zoveel fotonparen per tijdseenheid worden gegenereerd voordat de opstelling zeer technisch veeleisend wordt", zei Lyons. "Deze problemen bestaan ​​niet met klassiek licht, en het is mogelijk om de hoge verliezen te omzeilen door het laservermogen te verhogen."

Wanneer twee identieke fotonen elkaar tegelijkertijd bij een bundelsplitser ontmoeten, zullen ze altijd aan elkaar plakken, of verstrengeld raken, en in dezelfde richting vertrekken. Klassiek licht vertoont hetzelfde gedrag, maar in mindere mate - meestal gaan klassieke fotonen in dezelfde richting. De onderzoekers gebruikten deze eigenschap van klassiek licht om heel precies de aankomst van één foton te timen door te kijken wanneer twee fotonen tegelijkertijd bij detectoren aankomen.

De diepteresolutie verbeteren

"De tijdinformatie geeft ons de mogelijkheid om dieptebereik uit te voeren door een van die fotonen naar de 3D-scène te sturen en vervolgens te timen hoe lang het duurt voordat dat foton terugkomt", zei Lyons. "Dus twee-foton interferentie LiDAR werkt net als conventionele LiDAR, maar stelt ons in staat om nauwkeuriger te bepalen hoe lang het duurt voordat dat foton de detector bereikt, wat zich direct vertaalt in een grotere diepteresolutie."

De onderzoekers demonstreerden de hoge diepteresolutie van LiDAR met twee fotoneninterferentie door het te gebruiken om de twee reflecterende oppervlakken van een stuk glas van ongeveer 2 millimeter dik te detecteren. Traditionele LiDAR zou deze twee oppervlakken niet kunnen onderscheiden, maar de onderzoekers waren in staat om de twee oppervlakken duidelijk te meten. Ze gebruikten de nieuwe methode ook om een ​​gedetailleerde 3D-kaart te maken van een munt van 20 pence met een diepteresolutie van 7 micron. Dit toont aan dat de methode het detailniveau kan vastleggen dat nodig is om belangrijke gelaatstrekken of andere verschillen tussen mensen te onderscheiden.

Interferentie met twee fotonen LiDAR werkt ook heel goed op het niveau van één foton, wat de complexere beeldvormingsbenaderingen die worden gebruikt voor niet-zichtbare beeldvorming of beeldvorming door sterk verstrooiende media zou kunnen verbeteren.

Momenteel duurt het verkrijgen van de afbeeldingen lang omdat het scannen over alle drie de ruimtelijke dimensies vereist. De onderzoekers werken eraan om dit proces sneller te maken door de hoeveelheid scans die nodig is om 3D-informatie te verkrijgen, te verminderen. + Verder verkennen

Doorbraak in beeldvorming kan helpen bij de ontwikkeling van kwantummicroscopen