Forskare har visat att en kvantinspirerad teknik kan användas för att utföra LiDAR-avbildning med en mycket högre djupupplösning än vad som är möjligt med konventionella metoder. LiDAR, som använder laserpulser för att inhämta 3D-information om en scen eller ett objekt, är vanligtvis bäst lämpat för att avbilda stora objekt som topografiska egenskaper eller byggda strukturer på grund av dess begränsade djupupplösning.

"Även om LiDAR kan användas för att avbilda en persons övergripande form, fångar det vanligtvis inte finare detaljer som ansiktsdrag", säger forskargruppsledaren Ashley Lyons från University of Glasgow i Storbritannien. "Genom att lägga till extra djupupplösning kan vårt tillvägagångssätt fånga tillräckligt med detaljer för att inte bara se ansiktsdrag utan även någons fingeravtryck."

I Optics Express , Lyons och försteförfattaren Robbie Murray beskriver den nya tekniken, som de kallar imaging två-foton interferens LiDAR. De visar att den kan särskilja reflekterande ytor mindre än 2 millimeter från varandra och skapa högupplösta 3D-bilder med upplösning i mikronskala.

"Detta arbete kan leda till 3D-avbildning med mycket högre upplösning än vad som är möjligt nu, vilket kan vara användbart för ansiktsigenkänning och spårningsapplikationer som involverar små funktioner", säger Lyons. "För praktisk användning kan konventionell LiDAR användas för att få en ungefärlig uppfattning om var ett föremål kan vara och sedan kan föremålet noggrant mätas med vår metod."

Använder klassiskt intrasslat ljus

Den nya tekniken använder "kvantinspirerad" interferometri, som extraherar information från hur två ljusstrålar interfererar med varandra. Entangled par av fotoner - eller kvantljus - används ofta för denna typ av interferometri, men tillvägagångssätt baserade på foton intrassling tenderar att fungera dåligt i situationer med höga nivåer av ljusförlust, vilket nästan alltid är fallet för LiDAR. För att övervinna detta problem tillämpade forskarna det de har lärt sig från kvantavkänning på klassiskt (icke-kvant) ljus.

"Med kvantintrasslade fotoner kan bara så många fotonpar per tidsenhet genereras innan installationen blir mycket tekniskt krävande", säger Lyons. "Dessa problem existerar inte med klassiskt ljus, och det är möjligt att komma runt de höga förlusterna genom att höja lasereffekten."

När två identiska fotoner möts vid en stråldelare samtidigt kommer de alltid att hålla ihop, eller trassla in sig, och lämna i samma riktning. Klassiskt ljus visar samma beteende men i mindre grad - för det mesta går klassiska fotoner åt samma håll. Forskarna använde denna egenskap hos klassiskt ljus för att mycket exakt tajma ankomsten av en foton genom att titta på när två fotoner samtidigt anländer till detektorer.

Förbättrad djupupplösning

"Tidsinformationen ger oss möjlighet att utföra djupomfång genom att skicka ut en av dessa fotoner till 3D-scenen och sedan tajma hur lång tid det tar för den fotonen att komma tillbaka", säger Lyons. "Därför fungerar LiDAR med två fotoninterferens ungefär som konventionell LiDAR men tillåter oss att mer exakt tajma hur lång tid det tar för den fotonen att nå detektorn, vilket direkt översätts till större djupupplösning."

Forskarna demonstrerade den höga upplösningen av tvåfotoninterferens LiDAR genom att använda den för att detektera de två reflekterande ytorna på en glasbit som är cirka 2 millimeter tjock. Traditionell LiDAR skulle inte kunna särskilja dessa två ytor, men forskarna kunde tydligt mäta de två ytorna. De använde också den nya metoden för att skapa en detaljerad 3D-karta av ett 20-pence-mynt med 7-mikrons djupupplösning. Detta visar att metoden kan fånga den detaljnivå som krävs för att särskilja viktiga ansiktsdrag eller andra skillnader mellan människor.

Två-fotoninterferens LiDAR fungerar också mycket bra på singelfotonnivå, vilket skulle kunna förbättra mer komplexa bildåtergivningsmetoder som används för icke-line-of-sight-avbildning eller avbildning genom mycket spridande media.

För närvarande tar det lång tid att hämta bilderna eftersom det kräver skanning över alla tre rumsliga dimensioner. Forskarna arbetar för att göra denna process snabbare genom att minska mängden skanning som krävs för att skaffa 3D-information. + Utforska vidare

Bildgenombrott kan hjälpa utvecklingen av kvantmikroskop