Forscher verwenden einen quanteninspirierten Ansatz, um die LiDAR-Auflösung zu erhöhen

Forscher haben gezeigt, dass eine quanteninspirierte Technik verwendet werden kann, um LiDAR-Bildgebung mit einer viel höheren Tiefenauflösung durchzuführen, als dies mit herkömmlichen Ansätzen möglich ist. LiDAR, das Laserpulse verwendet, um 3D-Informationen über eine Szene oder ein Objekt zu erfassen, eignet sich aufgrund seiner begrenzten Tiefenauflösung normalerweise am besten für die Abbildung großer Objekte wie topografischer Merkmale oder gebauter Strukturen.

„Obwohl LiDAR verwendet werden kann, um die Gesamtform einer Person abzubilden, erfasst es normalerweise keine feineren Details wie Gesichtszüge“, sagte Forschungsteamleiterin Ashley Lyons von der Universität Glasgow im Vereinigten Königreich. „Durch Hinzufügen einer zusätzlichen Tiefenauflösung konnte unser Ansatz genügend Details erfassen, um nicht nur Gesichtszüge, sondern sogar Fingerabdrücke von jemandem zu sehen.“

Im Optik Express, Lyons und Erstautor Robbie Murray beschreiben die neue Technik, die sie bildgebendes Zwei-Photonen-Interferenz-LiDAR nennen. Sie zeigen, dass es reflektierende Oberflächen mit einem Abstand von weniger als 2 Millimetern unterscheiden und hochauflösende 3D-Bilder mit einer Auflösung im Mikrometerbereich erstellen kann.

„Diese Arbeit könnte zu 3D-Bildgebung mit viel höherer Auflösung führen, als dies jetzt möglich ist, was für Gesichtserkennungs- und Verfolgungsanwendungen mit kleinen Merkmalen nützlich sein könnte“, sagte Lyons. „Für den praktischen Einsatz könnte man mit herkömmlichem LiDAR eine ungefähre Vorstellung davon bekommen, wo sich ein Objekt befinden könnte, und dann könnte man das Objekt mit unserer Methode sorgfältig vermessen.“

Mit klassisch verschränktem Licht

Die neue Technik nutzt die „quanteninspirierte“ Interferometrie, die Informationen aus der Art und Weise extrahiert, wie zwei Lichtstrahlen miteinander interferieren. Verschränkte Photonenpaare – oder Quantenlicht – werden oft für diese Art der Interferometrie verwendet, aber Ansätze, die auf Photonenverschränkung basieren, neigen dazu, in Situationen mit hohem Lichtverlust schlecht zu funktionieren, was bei LiDAR fast immer der Fall ist. Um dieses Problem zu lösen, wandten die Forscher das, was sie aus der Quantensensorik gelernt haben, auf klassisches (Nicht-Quanten-)Licht an.

„Mit quantenverschränkten Photonen können nur so viele Photonenpaare pro Zeiteinheit erzeugt werden, bevor der Aufbau technisch sehr anspruchsvoll wird“, sagte Lyons. „Diese Probleme gibt es bei klassischem Licht nicht, und es ist möglich, die hohen Verluste zu umgehen, indem man die Laserleistung hochdreht.“

Wenn zwei identische Photonen gleichzeitig an einem Strahlteiler aufeinandertreffen, bleiben sie immer zusammen oder verschränken sich und gehen in die gleiche Richtung. Klassisches Licht zeigt das gleiche Verhalten, aber in geringerem Maße – klassische Photonen gehen meistens in die gleiche Richtung. Die Forscher nutzten diese Eigenschaft des klassischen Lichts, um die Ankunft eines Photons sehr genau zu bestimmen, indem sie beobachteten, wann zwei Photonen gleichzeitig an Detektoren ankommen.

Verbesserte Tiefenauflösung

„Die Zeitinformationen geben uns die Möglichkeit, eine Tiefenmessung durchzuführen, indem wir eines dieser Photonen auf die 3D-Szene senden und dann messen, wie lange es dauert, bis dieses Photon zurückkommt“, sagte Lyons. „Daher funktioniert Zwei-Photonen-Interferenz-LiDAR ähnlich wie herkömmliches LiDAR, ermöglicht uns jedoch eine genauere Zeitmessung, wie lange es dauert, bis dieses Photon den Detektor erreicht, was sich direkt in einer höheren Tiefenauflösung niederschlägt.“

Die Forscher demonstrierten die hohe Tiefenauflösung des Zwei-Photonen-Interferenz-LiDAR, indem sie damit die beiden reflektierenden Oberflächen eines etwa 2 Millimeter dicken Glasstücks detektierten. Herkömmliches LiDAR wäre nicht in der Lage, diese beiden Oberflächen zu unterscheiden, aber die Forscher konnten die beiden Oberflächen eindeutig messen. Sie verwendeten die neue Methode auch, um eine detaillierte 3D-Karte einer 20-Pence-Münze mit einer Tiefenauflösung von 7 Mikrometern zu erstellen. Dies zeigt, dass die Methode den Detaillierungsgrad erfassen kann, der erforderlich ist, um wichtige Gesichtsmerkmale oder andere Unterschiede zwischen Menschen zu unterscheiden.

Zwei-Photonen-Interferenz-LiDAR funktioniert auch sehr gut auf der Einzelphotonenebene, was komplexere Bildgebungsansätze verbessern könnte, die für die Bildgebung ohne Sichtlinie oder die Bildgebung durch stark streuende Medien verwendet werden.

Derzeit dauert die Aufnahme der Bilder lange, da sie das Scannen über alle drei räumlichen Dimensionen erfordert. Die Forscher arbeiten daran, diesen Prozess zu beschleunigen, indem sie den Umfang des Scannens reduzieren, der zum Erfassen von 3D-Informationen erforderlich ist.