Новости оптики и фотоники

May 18, 2023

Меери Ким

Исследователи разработали лидарную систему, которая использует технологию квантового обнаружения для захвата 3D-изображений под водой. Они продемонстрировали технологию, сделав 3D-изображение (слева) трубы (справа). Сканирование было получено в условиях низкого рассеяния с однофотонной системой, погруженной в резервуар. [Изображение: А. Маккароне, Университет Хериот-Ватт] [Увеличить изображение]

Исследователи из Великобритании, Франции и Испании создали подводную лидарную систему, которая может захватывать трехмерные изображения в реальном времени (Опция Express, doi: 10.1364/OE.487129). Хотя аналогичные демонстрации были проведены с оптической установкой вне резервуара с водой, нынешний прототип успешно получил трехмерные видео движущихся целей, находясь под полным погружением.

Новая технология, основанная на однофотонном обнаружении, может быть использована для проверки подводных объектов, таких как морские ветряные электростанции, для мониторинга или исследования подводных археологических объектов, а также для обеспечения безопасности и обороны.

Оптическое изображение высокого разрешения в мутной воде остается сложной задачей из-за поглощения и рассеяния, которые вызывают значительное затухание сигнала на относительно коротких расстояниях распространения. В предыдущей работе Аврора Маккароне из Университета Хериот-Ватт, Великобритания, и ее коллеги сообщили о первом использовании методов обнаружения одиночных фотонов для подводных изображений, которые обеспечивают очень высокое проникновение через мутную воду.

«Измеряя время полета световых импульсов, мы смогли реконструировать трехмерные изображения подводных объектов», — сказал автор исследования Маккароне. «Это [последнее исследование] представляет собой достижение, поскольку, насколько нам известно, это первый прототип полностью погруженной системы визуализации, основанной на технологиях квантового обнаружения».

Более ранние эксперименты ее команды и других групп всегда проводились в тщательно контролируемых лабораторных условиях: оптическая установка располагалась вне резервуара с водой, а анализ данных проводился в автономном режиме. Теперь не только оптическая установка находится под водой, но и аппаратные и программные разработки, разработанные Маккароне и ее коллегами, позволяют реконструировать 3D-изображения в реальном времени.

Система включала в себя зеленый импульсный лазер (532 нм, 20 МГц) для освещения и сверхчувствительную матрицу (192 × 128 пикселей) однофотонных лавинных диодов для обнаружения, а также волоконно-коллимационный пакет, оптический рассеиватель, линзы и полосовой фильтр. фильтры. Измерив время возврата отраженного света, можно было точно измерить расстояние до цели.

Прототип обеспечивал изображение неподвижных целей на расстоянии 3 м, а также демонстрацию 3D-видео движущихся целей в реальном времени со скоростью 10 кадров в секунду.

«Массив однофотонных детекторов дает преимущество сверхбыстрого обнаружения событий при слабом освещении, значительно сокращая время операций в средах с недостатком фотонов, например, на глубокой воде», — сказал Маккароне.

После сборки и тестирования оптической установки на лабораторном стенде исследователи переместили оборудование в большой резервуар с водой (4×3×2 м). Они погрузили систему в воду и контролируемым образом добавили рассеивающий агент, чтобы сделать воду более мутной. Прототип обеспечивал изображение неподвижных целей на расстоянии 3 м, а также демонстрацию 3D-видео движущихся целей в реальном времени со скоростью 10 кадров в секунду.

«В настоящее время основная задача состоит в том, чтобы понять, как уменьшить размер каждого компонента, чтобы интегрировать систему визуализации в подводный аппарат», — сказал Маккароне. «Мы сотрудничаем с промышленностью, чтобы найти подходящее решение, которое сделает это возможным без ущерба для производительности системы».

Дата публикации: 10 мая 2023 г.