Forscher erweitern die Bildgebung außerhalb der Sichtlinie auf längere Wellenlängen

Neue Technologien für die Bildgebung ohne Sichtverbindung können Objekte erkennen, selbst wenn sie sich um eine Ecke oder hinter einer Wand befinden. In einer neuen Arbeit verwenden Forscher einen neuen Detektortyp, um diese Methode vom sichtbaren Licht auf Wellenlängen im nahen und mittleren Infrarotbereich zu erweitern, ein Fortschritt, der besonders für unbemannte Fahrzeuge, Robotersicht, Endoskopie und andere Anwendungen nützlich sein könnte.

„Infrarot-Bildgebung ohne Sichtlinie kann die Sicherheit und Effizienz unbemannter Fahrzeuge verbessern, indem sie ihnen hilft, Hindernisse zu erkennen und zu umgehen, die nicht direkt sichtbar sind“, sagte Xiaolong Hu von der Tianjin-Universität in China. Sein Team arbeitete mit einer Gruppe unter der Leitung von Jingyu Yang zusammen, ebenfalls von der Tianjin-Universität. „Die Verwendung von Wellenlängen im nahen Infrarot könnte auch dazu beitragen, Bedenken hinsichtlich der Augensicherheit zu verringern und das Hintergrundrauschen zu verringern, was möglicherweise die Bildgebung über größere Entfernungen tagsüber ermöglicht.“

In Optik-Expressbeschreiben die Forscher die erste Demonstration einer Bildgebung ohne Sichtlinie mithilfe einer fortschrittlichen lichtempfindlichen Komponente, die als supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektor bekannt ist. Dieser Detektor weist eine Einzelphotonenempfindlichkeit von Röntgenstrahlen bis zu Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich auf und ermöglicht es Forschern, den Spektralbereich der Bildgebungstechnik auf die Wellenlängen im nahen und mittleren Infrarotbereich von 1560 und 1997 nm zu erweitern. Die Forscher entwickelten außerdem einen neuen Algorithmus, um die vom System erhaltenen Bilder weiter zu verbessern.

„Diese Demonstration des Prinzipnachweises öffnet Türen für weitere Forschungsmöglichkeiten und potenzielle Anwendungen“, sagte Hu. „Die Verlagerung der Bildgebung außerhalb der Sichtlinie hin zu den Wellenlängen des mittleren Infrarots bringt Vorteile für viele Anwendungen. Neben der Verbesserung der Navigation für Roboter und Fahrzeuge könnte sie auch das Signal-Rausch-Verhältnis für die biologische Bildgebung verbessern.“

Ein sensibles Auge schaffen

Bildgebungstechnologien außerhalb der Sichtlinie nutzen Fotodetektoren, um mehrere Strahlen reflektierten Lichts zu erkennen, die von Objekten außerhalb der Sichtlinie emittiert oder reflektiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sichtlinien-Bildgebungstechniken wie LiDAR und Fotografie ist das bei der Nicht-Sichtlinien-Bildgebung erfasste Licht sehr schwach. Dies erfordert sehr hochempfindliche Detektoren.

„Wir haben einen supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektor entworfen und hergestellt, der als sehr empfindliches Auge fungiert, um ein um eine Ecke verborgenes Objekt zu erkennen“, sagte Hu. „Dieser Detektor übertrifft andere Einzelphotonendetektoren hinsichtlich der Detektionseffizienz im nahen und mittleren Infrarot-Spektralbereich, was die Durchführung von Bildgebung ohne Sichtlinie bei längeren Wellenlängen ermöglicht.“

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren basieren auf der Tatsache, dass ein einzelnes Photon die Supraleitung stört. Dadurch entsteht eine messbare Änderung des elektrischen Widerstands, die die Detektion einzelner Photonen mit hoher Effizienz ermöglicht. In der neuen Arbeit erstellten die Forscher einen Einzelphotonendetektor mit 40 nm breiten Nanodrähten, die in einem fraktalen Muster angeordnet waren.

Dieses Muster, das bei verschiedenen Vergrößerungen ähnliche Formen aufweist, ermöglicht die effektive Erkennung von Photonen in allen Polarisationen. Der Detektor wurde auf ~2 K (knapp über dem absoluten Nullpunkt) abgekühlt, was zum Erreichen der Supraleitung erforderlich ist.

Bildgebung im Infrarot

Nachdem sie gezeigt hatten, dass ihr supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektor eine bessere zeitliche Auflösung und ein geringeres Rauschen als eine InGaAs/InP-Einzelphotonen-Lawinendiode aufwies, verwendeten die Forscher den neuen Detektor, um Bilder ohne Sichtlinie sowohl bei 1560 als auch bei 1997 nm zu erfassen . Sie erreichten für beide Wellenlängen eine Ortsauflösung von weniger als 2 cm. Sie zeigten auch, dass Bilder, die mit ihrem neuen Algorithmus rekonstruiert wurden, einen deutlich geringeren mittleren quadratischen Fehler – ein Maß für die Abweichung vom Idealbild – aufwiesen als Bilder, die mit anderen Methoden rekonstruiert wurden.

Die Forscher arbeiten nun daran, ihre Arbeit zu erweitern, indem sie andere interessante Wellenlängen erforschen und untersuchen, wie die Anordnung mehrerer supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektoren in Arrays zusätzliche Fähigkeiten ermöglichen könnte. Sie möchten mit ihrem neuen System auch experimentieren, um tagsüber über größere Entfernungen eine Bildgebung ohne Sichtverbindung zu ermöglichen.