光が情報を運ぶとき、例えば LiDAR 他のイメージング技術と同様に、情報をキャリアから最大限の忠実度で検出および抽出するためには、強い信号を得るのが最善です。しかし、いくつかの理由から、この理想的なシナリオが常に可能とは限りません。イメージングアプリケーションでは、生体材料は強い光に敏感な場合があり、LiDAR測定は長距離で行われることが多く、受信信号の強度が低下します。このような場合、低強度イメージングを正確かつ迅速に実行できる能力が重要になります。 中国科学アカデミー大学 (UCAS)、Dr. のグループ。 ミンフェイ・リー 特別に設計されたコーディングディスクを使用して、単一光子を時間的に拡散させ、低強度画像化プロセスの費用対効果と速度を改善することに取り組んでいます。光子検出には、研究者は Moku:ProLiquid InstrumentsのFPGAベースのデバイスで、高速で柔軟な信号処理と分析のための再構成可能なテストおよび測定機器スイートを提供します。Mokuを活用することで、 タイム&周波数アナライザ 光子計数モジュールとして、空間的に変調された光に含まれる重要なデータを迅速に解読できます。
課題
低強度の光信号を測定するために、研究者らは 単一光子検出器 （SPD）。これらのデバイスは、驚異的な感度と時間分解能を提供し、ピコ秒の分解能で単一光子のスケールのエネルギーを検出する能力を備えています。SPDが提供する利点を利用する補完的な技術も登場しており、シングルピクセルイメージング（SPI）と呼ばれています。従来のイメージングシステムを模倣するためにSPDのアレイを使用するのではなく、SPIは単一の検出器を使用し、タイムスタンプ付きの光子ストリームから画像を再構成します。これらの進歩にもかかわらず、SPI技術で復元できるように光を効果的に変調する方法が課題として残っています。数百万個のミクロンサイズのミラーのアレイで構成され、高速でオン/オフできるデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）は、空間光変調によく使用されます。しかし、これらのデバイスは変調速度が遅いため、対象物を画像化できる速度が制限されます。UCASのチームは、高速で光を変調できる変調源として機能する回転コーディングディスクを設計しました。このアプローチでは、DMDベースのシステムよりもコスト効率も優れています。しかし、この技術は有望である一方で、コーディングディスク方式には独自の課題もあり、チームはMokuを用いてその一部に対処しました。 タイム&周波数アナライザ.
ソリューション
コーディングディスクの有効性を判断するために、研究グループは図1に示すようなセットアップを開発しました。 ヘリウムネオンレーザー 物体を照らし、透過した光は回転ディスクを通過します。2 つの部分からなるディスクは、一定の速度で回転します。ディスクのエンコード部分は、空間的に変調された光子を受け取り、個々の検出のために時間内に拡散します。エンコードされたデータ パターンは、ディスクの外側のノッチによって光学的に切り分けられた LED を介して検出器と同期されます。「同期」フォトダイオードで結果として生じるパルスはクロック信号を提供し、これにより、グループはこの技術の主な障害の 1 つである回転速度の変動を克服することができました。
図1：実験セットアップ。(a) Moku:Proを使用したイメージングセットアップ。(b) 回転するコーディングマスクの上面図。赤い四角：イメージング領域、緑の矢印：同期ノッチ。(c) マスクの拡大図。検出には、研究グループは2つのSPDデバイスを使用した。1つ目はより従来型の 単一光子アバランシェダイオード （SPAD）は400～1060 nmの周波数範囲で動作しました。また、1064 nmや1550 nmなど、多くの波長で動作可能な超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）も使用しました。これらのデバイスは異なるロジックで動作します。SPADはイベントを検出するとTTLロジックパルスを出力しますが、SNSPDと同期PDはアナログ電圧を生成します。この違いにより、グループは使用可能なタイムカウンターを見つけるのに苦労しました。従来の時間相関単一光子計数（TCSPC）モジュールは、超伝導SPDやPDからの信号と必ずしも互換性があるわけではないためです。この問題を解決するために、グループは時間周波数アナライザを導入し、SPDによって検出されたイベントをカウントしてタイムスタンプを付けました。論文の筆頭著者である大学院生のZi-Qing Zhao氏は、再構成可能な モク このプラットフォームは、彼らの研究にとって魅力的な装置となるいくつかの利点を提供します。1つ目は、イベントの閾値電圧を変更できることで、周波数範囲に関係なく、データ収集に単一のカウンタを使用できることです。「別のTCSPCを試しましたが、超伝導SPDの振幅が変動するため使用できませんでした」と彼は言いました。Zhao氏はまた、この装置のトリガー遅延機能が非常に役立ったと述べ、物理的な不安定性によるディスクの回転周期のわずかな変動を補正するのに役立ったとしました。この回転速度の補正は、同様のセットアップを使用した以前の実験のパフォーマンスを制限していた重要なステップでした。
結果
測定を行う際、Moku タイム&周波数アナライザ 2つの入力チャネルで同時にイベントを記録します。1つは同期パルスを追跡し、もう1つは光子イベントを追跡します。次に、各イベントにタイムスタンプを割り当てます。データ収集後、生のタイムスタンプデータはMokuファイルコンバータを使用してCSV形式に変換され、後処理のためにホストPCにインポートされます。Zhaoは、 Python データ処理用のスクリプトを作成し、Moku がデータを簡潔にフォーマットする方法によって分析が大幅に簡素化されることを発見しました。「以前は、データ分析のために C++ コードを手書きする必要がありました」と彼は言います。「Moku がデータをパックして整理する方法により、はるかに効率的になりました。」分析後、グループは極めて低い照明 (1 ピクセルあたり 1 回転あたり約 0.5 光子) で光子計数 SPI を実行できることを示しました。結果の例は図 2 に示されています。回転速度を補正するこの方法を使用すると、数千のディスクサイクルにわたって積分して画像のコントラスト対ノイズ比 (CNR) を向上させることができました。この補正を適用しないと、速度変動により平均化が増えるにつれて CNR が悪化します。
図2：SPI技術で収集された再構成画像。多くのサイクルにわたる積分効果を示している。CNRはサイクル数に応じて増加する。このグループの実験は、イメージングアプリケーションにおける空間変調にスピニングコーディングマスクを使用する可能性を示している。このデバイスはDMDに比べて低コストで小型であり、より高速なイメージングのために高いリフレッシュレートを提供できる。このグループの研究成果は現在[1]から入手可能である。今後の展望として、Zhao氏は、チームはより多くの単一光子検出実験を開発しており、 Moku:Pro 依然として彼らの第一選択肢となるでしょう。
参考情報
[1] Zi-Qing Zhao、Yue-Xi Zhang、Jia-Qi Song、Ming-Fei Li、Ling-An Wu、「高速回転コーディングディスクに基づく光子計数単一ピクセルカメラ「Opt. Lett. 50、169-172（2025）」。