見通し外イメージングを長波長に拡張

December, 8, 2023, Washington--新システムは、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を用いており、自動運転車やロボットビジョンなどに役立つ可能性がある。

見通し外イメージングの新興技術により、物体が角を曲がったところや壁の後ろにある場合でも検出できる。新しい研究では、研究者は新しいタイプの検出器を使用して、この方法を可視光から近赤外および中赤外波長に拡張し、無人車両、ロボットビジョン、内視鏡検査、その他のアプリケーションに特に役立つ可能性がある。

「赤外線の非視線イメージングは、無人車両が直接見えない障害物を検出して回避できるようにすることで、安全性と効率を向上させることができる」と、中国の天津大学のXiaolong Huは話している。同氏のチームは、同じく天津大学のJingyu Yangが率いるグループと協力した。「近赤外波長を使用することで、目の安全に関する懸念を軽減し、バックグラウンドノイズを低減することもでき、日中のより長い距離でのイメージングが可能になる可能性がある」

「Optics Express」で、研究チームは、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器として知られる高度な光感知コンポーネントを使用した非視線イメージングの最初のデモンストレーションについて説明している。このディテクタは、X線からMid-IR波長までの単一光子感度があるため、研究者はイメージング技術のスペクトル範囲を1560nmおよび1997nmのNIRおよびMid-IR波長に拡張できる。また、研究チームは、システムによって得られた画像をさらに改善するための新しいアルゴリズムを開発した。

「この原理実証のデモは、より多くの研究機会と潜在的なアプリケーションへの扉を開く。視線外イメージングをMid-IR波長に近づけることは、多くのアプリケーションに利点をもたらす。ロボットや車両のナビゲーションを改善するだけでなく、生体イメージングのSNRも向上させる可能性がある」とHuは説明している。

敏感な目を作る
非視線イメージング技術は、フォトディテクタを使用して、視線外の物体から放射または反射された反射光の複数の光線を検出する。LiDARや写真撮影などの従来の視線イメージング技術とは異なり、非視線イメージングで検出される光は非常に微弱である。これには、非常に高い感度のディテクタが必要になる。

「私たちは、角を曲がったところに隠れた物体を見るための非常に敏感な目として機能する超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を設計し、作製した。この検出器は、近赤外および中赤外スペクトル領域での検出効率の点で他の単一光子検出器よりも優れているため、より長い波長での非視線イメージングを実行することができた」(Hu)。

超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、単一光子が超伝導を破壊するという事実に基づいている。これにより、電気抵抗に測定可能な変化が生じ、個々の光子を高効率で検出できる。今回の研究では、40nm幅のナノワイヤをフラクタルパターン状に配置した単一光子検出器を作製した。このパターンは、さまざまな倍率で同様の形状を示すため、すべての偏光で光子を効果的に検出できる。検出器は、超伝導を達成するために必要な～2K(絶対零度のすぐ上)まで冷却された。

赤外線でのイメージング
超伝導ナノワイヤ単一光子検出器がInGaAs/InP単一光子アバランシェダイオードよりも優れたタイミング分解能と低ノイズを示すことを実証した後、研究チームは新しい検出器を使用して、1560nmと1997nmの両方で非視線イメージングを取得した。その結果、両波長で2cm未満の空間分解能を達成することができた。また、新しいアルゴリズムを使用して再構成された画像は、他の方法を使用して再構成された画像よりも、二乗平均平方根誤差(理想的な画像からの偏差の尺度)が有意に小さいことも示された。

研究チームは現在、関心のある他の波長を探索し、複数の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器をアレイに配置することで、さらなる機能が可能になる可能性を検討し、研究の拡張に取り組んでいる。また、新しいシステムを使用して、日中の長距離で見通し外イメージングを実現する実験も行いたいと考えている。