欧洲研究团队推出量子全光场QPI3D成像技术

据麦姆斯咨询介绍，快速、高分辨率、低噪声的3D成像技术在空间成像、生物医学显微镜、智慧安防、工业检测、文化遗产保护等众多领域得到广泛应用。传统的全光场成像因具有出色的时间分辨率被视为最有前途的3D成像技术之一：一次拍摄完成，以3000万像素的分辨率每秒拍摄7帧，或以100万像素的分辨率每秒拍摄180帧，无需多个传感器、近场技术、耗时扫描和干涉技术。然而，传统的全光场成像会损失分辨率，这通常是不可接受的。

来自欧洲的一支研究团队打破了这种局限，将全新的基础性方法与上一代硬软件解决方案相结合。基本思路是通过使用新型传感器和测量协议来利用存储在光相关性中的信息，实现一项非常艰巨的任务：高速(10-100fps)量子全光场成像(Quantum Plenoptic Imaging，缩写为QPI)，具有超低噪声、出色的分辨率和景深。这项成像技术旨在成为第一项实用“量子”成像技术，突破了经典成像方式的极限。除此之外，该技术的量子特性还允许从极低光子通量下光的相关信息中提取3D图像信息，从而减少场景对照明的需求。

该项研究工作是基于高速和高分辨率量子三维成像(Qu3D)项目基础而开展起来的，由2019 QuantERA发起，专家来自意大利、捷克、瑞士和希腊的科研机构和工业合作伙伴。

最先进的全光场相机通过在标准数码相机的主镜头和传感器之间插入微透镜阵列(MLA)来实现方向探测(见图1a)。该传感器获取允许通过光探测物体和透镜位置的复合信息。但由于结构(使用微透镜阵列)和物理(高斯极限)原因，图像分辨率与获得的方向信息成反比。因此，基于简单的光强测量器件，衍射极限处的全光场成像被认为是不可能实现的。

近日，参与Qu3D项目的意大利国立核物理研究所(INFN)小组提出了一种新技术，称为“关联全光场成像”(Correlation Plenoptic Imaging，缩写为CPI)，能够解决现有全光场器件的分辨率缺陷，并保持重新聚焦能力和三维重建的优势。CPI可以基于强度测量，也可以基于光子探测，这由光源决定。实际上，CPI可以基于表征混沌源和纠缠光子束的时空相关性，对两个不相交传感器的空间和方向信息进行编码，如图1b所示。

为了提高CPI在采集速度和数据处理的时间精准性，该研究团队采用了专用的先进传感器和超高速计算平台。

先进传感器基于SPAD技术。当光电二极管的反向偏置电压高于击穿电压，一个光子撞击到光敏区域并产生一个电子-空穴对，进而触发次级载流子的雪崩，并在很短的时间尺度(皮秒)产生大电流。基于QPI的要求，研究人员选择了瑞士格桑联邦理工学院(EPFL)AQUA实验室开发的SwisSPAD2阵列，像素分辨率是512 x 512(见图2)，这是迄今为止最宽、最先进的SPAD阵列之一。该传感器内部结构由两个256 x 512的SPAD阵列组成，以减少信号线上的负载，提高运行速度。

图2：SwissSPAD2的光学显微镜照片(左)和像素示意图(右)

在与SwissSPAD2集成的QPI器件中，单帧采集数据速率约为26 Gb/s，这已经超出了标准数据总线的能力，对硬件和软件设计都提出了很大的挑战。基于这样的挑战性目标，研究人员对市售的商用产品解决方案进行了初步分析，以确定一组满足QPI对计算能力和可移植性要求的一系列加速器件。英伟达(NVIDIA)的Jetson Xavier AGX开发套件提供的选项如图3所示，被认为是最适合的计算平台。Jetson Xavier AGX提供了令人鼓舞的性能/集成比、低功耗和非常有趣的计算能力。

图3：由NVIDIA-Jetson-AGX-Xavier提供，基于NVIDIA-Volta架构的GPU并行处理Qu3D场景

通过专用量子和经典图像处理技术，如基于压缩传感的新颖数学方法、量子层析成像与量子Fisher信息，可进一步减少收集时间。在论文中，作者讨论了压缩传感、全光场层析成像、量子层析成像和量子Fisher信息等算法的作用和实验数据。

为了实现实用的量子3D成像，研究人员提出了具有挑战性的研究方向：在不牺牲高信噪比(SNR)、高分辨率和大景深等优势的前提下，尽可能降低采集速度。研究人员在经典成像和量子成像两方面都取得了重大进展，提高了全光场成像性能，极大地加快了量子成像，从而促进了量子全光场相机的落地。

研究人员还雄心勃勃地计划将量子成像的范围扩展到其他科学领域，并为新的市场机遇和应用开辟道路，如用于生物医学成像的3D显微镜，以及用于智慧安防、空间成像和工业检测的新型设备(3D成像、重新聚焦和距离检测能力增强的量子数码相机)。这项合作跨越了众多学科(例如量子成像、超高速相机、GPU的低水平编程、压缩传感、量子信息理论和信号处理)的传统界限。