Лаборатория Оптика Долинасовершила важные прорывы в области однофотонной визуализации 

11 февраля в лаборатории Hubei Optics Valley слабый лазерный луч, содержащий всего несколько фотонов, облучал биологические образцы, а исследователи внимательно изучали результаты расчетов, полученные на экране: «Разрешение изображения достигло миллионов пикселей.

Число пикселей камер мобильных телефонов, используемых ежедневно, обычно составляет десятки миллионов или даже более 100 миллионов, что позволяет делать четкие фотографии в повседневной жизни.

Однако в некоторых особых ситуациях, например, на большой глубине, на большой высоте или при медицинском тестировании, световой сигнал слабый, а пространственное разрешение низкое, и для захвата изображений необходимы однофотонные детекторы.

Фотоны — это основные единицы света. Свет, который мы видим в повседневной жизни, на самом деле состоит из бесчисленных фотонов. Как следует из названия, однофотонный детектор — это сверхчувствительный детектор, который может обнаружить один фотон. Он имеет важные приложения в квантовых коммуникациях, астрономии, биомедицинской визуализации и других областях.

«Однофотонные детекторы подобны глазам в темноте, которые могут улавливать слабые световые сигналы». Однако доктор Дин И, исследователь из лаборатории Hubei Optics Valley, сказал, что однофотонные детекторы ограничены своей физической структурой, а количество пикселей обычно может достигать лишь тысяч, что ограничивает их применение в визуализации с высоким разрешением и других областях.

Например, при астрономических наблюдениях меньшее количество пикселей затрудняет захват деталей более слабых и удаленных небесных тел; при биомедицинской микроскопической визуализации оно также не может удовлетворить требованиям к регистрации с высоким разрешением явлений флуоресценции на квантовом уровне.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда доктора Дин И обратила свое внимание на область вычислительной визуализации. Вычислительная визуализация отличается от традиционной технологии визуализации. Она может преодолеть ограничения фотодетекторов в разрешении изображения, частоте кадров изображения и т. д. с помощью оптической модуляции и обработки сигнала.

«Мы больше не требуем, чтобы каждый пиксель соответствовал физическому детектору. Вместо этого мы позволяем одному детектору играть разные роли в разное время. Кодируя световое поле и реконструируя алгоритм, мы в конечном итоге можем восстановить изображение высокого разрешения из сотен тысяч или даже миллионов пикселей». Дин И сказал, что технология команды достигла передового международного уровня.

Кроме того, однофотонные детекторы использовались для вывода аналоговых сигналов. Благодаря исследованиям и разработкам, команда лаборатории завершила цифровое считывание однофотонных детекторов на уровне чипа, что может устранить необходимость в устройствах подсчета фотонов при получении однофотонных сигналов, сделав систему визуализации и обнаружения более миниатюрной и интегрированной, а также способной использоваться в большем количестве сценариев применения.

За этими достижениями стоят бесчисленные дни и ночи упорства и тяжелой работы научно-исследовательской группы. Поскольку проект был запущен в конце 2023 года, для ускорения прогресса свет в лаборатории часто горит до рассвета. Для проверки эффективности экспериментального оптического пути и метода расчета группа провела большое количество экспериментов и накопила огромные объемы данных.

«Каждый день я чувствую, что времени не хватает, поэтому я хочу работать все быстрее и быстрее, чтобы производить больше высокотехнологичных устройств, которые будут заменены отечественными продуктами». Дин И сказал, что в настоящее время исследовательская группа осуществляет прикладное сотрудничество с медицинским оборудованием, дистанционным зондированием и другими областями, а первый инженерный прототип для медицинской области находится в стадии разработки.

В настоящее время исследовательская группа также работает над решением ряда технических задач, включая отслеживание наночастиц без использования меток и визуализацию с компрессией во временной области. «Время никого не ждет, и мы полны решимости как можно скорее освоить ключевые базовые технологии», — сказал Дин И.