据中国光学期刊网，于2023年08月11日报道， 研究人员报告了利用量子鬼成像获得的第一个 3D 测量结果，这项新技术能够在单光子水平上进行 3D 成像，从而为任何测量提供最低的光子剂量。德国弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像开发研究所以及卡尔斯鲁厄理工学院的研究员 Carsten Pitsch 表示：“单光子 3D 成像可用于各种生物医学应用，例如眼部护理诊断，它可以应用于对光敏感的图像材料和组织或者暴露在光线下有毒的药物，而没有任何损坏的风险。”

        研究人员已经将他们的新方法发表在《Applied Optics》期刊上，该方法采用了新的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器，他们将称之为异步检测的新成像方案应用于量子鬼成像的三维成像过程。Pitsch说：“由于异步检测可以用于在不被发现的情况下进行观察，同时还可以减少过度照明、湍流和散射的影响，因此对于**或安全应用也可能很有用，我们还希望研究其在高光谱成像中的应用，这可以允许在使用非常低的光子剂量的同时记录多个光谱区域，因此这在生物分析方面可能非常有用”

        研究人员利用被称为量子鬼成像的计算成像方法开发了一种可以进行3D测量的新方法，光学装置左侧所示的 SPAD 阵列探测器是这项新技术的关键。图片来源：德国弗劳恩霍夫 IOSB/indigo

        增加第三维度

        量子鬼成像利用纠缠光子对产生图像，其中光子对中仅有一个光子与物体相互作用。然后利用每个光子的检测时间来识别纠缠对，从而实现图像重建。这种方法不仅允许在极低的光照条件下成像，而且意味着被成像的物体不必与用于成像的光子相互作用。由于以前的量子鬼成像装置依赖于增强型电荷耦合器件 (ICCD) 相机，因此无法进行 3D 成像。尽管这些相机具有良好的空间分辨率，但是它们是时域门控的，不允许对单个光子进行独立的时间检测。

        为了解决这个问题，研究人员开发了一种基于新型单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的装置，该新型SPAD阵列是专为激光雷达和医学成像而开发的。这些探测器具有多个带有专用定时电路的独立像素，这使得它们能够以皮秒分辨率记录每个像素的探测时间。这种新方法利用两个纠缠光子（信号光子和闲频光子）来获得单光子照明的 3D 图像。

        这涉及将闲频光子引导到物体上，然后及时检测背向散射光子。与此同时，信号光子被引导至专用相机，以在时间和空间上检测尽可能多的光子。研究人员随后将每个像素的检测时间与单像素检测器的检测时间进行比较，以重建纠缠。这也使他们能够确定相互作用的闲频光子的飞行时间，从而确定物体的深度。

        适应性强的装置

        另一个关键创新是对用于生成纠缠光子的KTP晶体进行周期性极化。Pitsch说：“这使得几乎任何泵浦-信号-闲频光子三重态都可以实现高效的准相位匹配，并且让我们自由选择照明和成像的波长，它还使我们能够使装置适应许多其他应用或波长。”研究人员使用两种不同的独立装置展示了其异步检测方案的 3D 功能。

        其中一个类似于迈克尔逊干涉仪，通过使用两个空间上分离的光路获取图像。这种装置使研究人员能够分析 SPAD 性能并改进符合检测。另一种装置使用自由空间光学器件，更加注重应用。与使用两个分离光路成像不同，这个装置在同一个光路中对两个物体进行成像。

        尽管还需要做更多的工作，但是这两种这种都可以很好地作为新技术的概念验证演示。实验还表明，异步检测可用于远程检测，这在大气测量方面可能非常有用。研究人员目前正在与 SPAD 制造商合作，以提高 SPAD 相机的空间分辨率和占空比（探测器开启的时间百分比）。

        他们还计划用最近推出的更快的自由空间耦合探测器取代光纤耦合探测器。最后，他们计划将该装置应用于高光谱成像，该成像可用于在重要的中红外光谱中进行成像，而无需使用在这些波长下工作的探测器。