빛이 정보를 전달하는 경우, 예를 들어 LiDAR 및 기타 이미징 기술에서 정보를 최대 충실도로 캐리어에서 감지하고 추출할 수 있도록 강력한 신호를 갖는 것이 가장 좋습니다. 여러 가지 이유로 이 이상적인 시나리오가 항상 가능한 것은 아닙니다. 이미징 애플리케이션에서 생물학적 물질은 강한 조명에 민감할 수 있으며 LiDAR 측정은 종종 장거리에서 수행되어 수신 신호의 강도가 감소합니다. 이러한 경우 저강도 이미징을 정확하고 빠르게 수행하는 기능이 중요합니다.
권위있는 중국과학원대학 (UCAS), 박사 그룹 밍페이 리 저강도 이미징 프로세스의 비용 효율성과 속도를 개선하기 위해 특별히 설계된 코딩 디스크를 사용하여 단일 광자를 시간 내에 분산시킵니다. 광자 감지를 위해 연구원들은 다음을 사용합니다. Moku:Pro, Liquid Instruments의 FPGA 기반 장치로, 빠르고 유연한 신호 처리 및 분석을 위한 재구성 가능한 테스트 및 측정 장비 모음을 제공합니다. Moku 활용 시간 및 진동수 분석기 광자 계수 모듈로서, 공간적으로 변조된 빛에 포함된 중요한 데이터를 빠르게 디코딩할 수 있습니다.
난제
저강도 광신호를 측정하기 위해 연구자들은 개발에 진전을 이루었습니다. 단일 광자 검출기 (SPD). 이 장치는 놀라운 감도와 시간 분해능을 제공하며, 피코초 분해능으로 단일 광자 규모의 에너지를 감지할 수 있습니다. SPD가 제공하는 이점을 활용하는 보완 기술인 단일 픽셀 이미징(SPI)도 등장했습니다. SPI는 기존 이미징 시스템을 모방하기 위해 SPD 배열을 사용하는 대신 단일 검출기를 사용하고 타임스탬프가 찍힌 광자 스트림에서 이미지를 재구성합니다.
이러한 발전에도 불구하고 SPI 기술로 복구할 수 있도록 빛을 효과적으로 변조하는 방법에 대한 문제가 남아 있습니다. 빠르게 켜고 끌 수 있는 수백만 개의 미크론 크기 거울 배열로 구성된 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 공간 광 변조에 일반적입니다. 그러나 이러한 장치는 변조 속도가 느려 물체를 얼마나 빨리 이미징할 수 있는지에 제한이 있습니다.
UCAS의 팀은 변조 소스 역할을 하는 회전 코딩 디스크를 설계하여 빛을 빠른 속도로 변조할 수 있습니다. 이 접근 방식을 사용하면 구현이 DMD 기반 시스템보다 비용 효율적입니다. 그러나 이 기술이 유망한 반면, 코딩 디스크 접근 방식은 고유한 과제도 가져왔으며, 그 중 일부는 팀이 Moku로 해결했습니다. 시간 및 진동수 분석기.
해법
코딩 디스크의 효율성을 확인하기 위해 그룹은 그림 1에 표시된 설정을 개발했습니다. 헬륨-네온 레이저 물체를 비추고, 전달된 빛은 회전하는 디스크를 통과합니다. 두 부분으로 구성된 디스크는 일정한 속도로 회전합니다. 디스크의 인코딩 부분은 공간적으로 변조된 광자를 가져와 개별 감지를 위해 시간 내에 분산시킵니다. 이러한 인코딩된 데이터 패턴은 디스크 외부의 노치에 의해 광학적으로 잘린 LED를 통해 감지기와 동기화됩니다. "동기화" 포토다이오드의 결과 펄스는 클록 신호를 제공하며, 이는 그룹이 기술의 주요 장애물 중 하나인 회전 속도의 분산을 극복하는 데 도움이 되었습니다.
그림 1: 실험 설정. (a) Moku:Pro를 특징으로 하는 이미징 설정. (b) 회전 코딩 마스크의 상단 보기. 빨간색 사각형: 이미징 영역, 녹색 화살표: 동기화 노치. (c) 마스크의 확대 보기.
탐지를 위해 그룹은 두 개의 SPD 장치를 사용했습니다. 첫 번째는 보다 전통적인 단일 광자 눈사태 다이오드 (SPAD)는 400~1060nm의 주파수 범위에서 작동했습니다. 또한 1064nm 또는 1550nm와 같이 여러 파장에서 작동할 수 있는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)를 사용했습니다. 이러한 장치는 서로 다른 논리로 작동했습니다. SPAD는 이벤트를 감지할 때 TTL 논리 펄스를 출력하는 반면 SNSPD와 동기화된 PD는 아날로그 전압을 생성합니다. 이러한 차이로 인해 그룹은 사용 가능한 시간 카운터를 찾는 데 어려움을 겪었습니다. 기존의 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC) 모듈은 항상 초전도 SPD 및 PD의 신호와 호환되지 않기 때문입니다.
이 문제를 해결하기 위해 그룹은 SPD에서 감지한 이벤트를 계산하고 타임스탬프를 지정하기 위해 Time & Frequency Analyzer를 배치했습니다. 논문의 주저자인 대학원생 Zi-Qing Zhao는 재구성 가능한 모쿠 플랫폼은 그들의 연구에 이 기기를 매력적으로 만드는 여러 가지 장점을 제공합니다. 첫 번째는 이벤트에 대한 임계 전압을 변경할 수 있는 기능으로, 주파수 범위에 관계없이 데이터 수집을 위해 단일 카운터를 사용할 수 있습니다.
그는 "우리는 또 다른 TCSPC를 시도했지만 초전도 SPD의 진폭이 다양해서 사용할 수 없었습니다."라고 말했습니다.
Zhao는 또한 이 기기의 트리거 지연 기능이 매우 유용하다고 말했습니다. 물리적 불안정성으로 인해 디스크 회전 주기의 약간의 차이를 보상하는 데 도움이 되었기 때문입니다. 회전 속도에 대한 이 보정은 유사한 설정을 사용하는 이전 실험의 성능을 제한했기 때문에 중요한 단계였습니다.
결과
측정을 할 때 Moku는 시간 및 진동수 분석기 동시에 두 개의 입력 채널에 이벤트를 등록합니다. 하나는 동기화 펄스를 추적하고 다른 하나는 광자 이벤트를 추적합니다. 그런 다음 각 이벤트에 타임스탬프를 할당합니다. 데이터 수집 후 원시 타임스탬프 데이터는 Moku 파일 변환기를 사용하여 CSV 형식으로 변환되고 후처리를 위해 호스트 PC로 가져옵니다. Zhao는 Python 데이터 처리를 위한 스크립트를 작성하고 Moku가 데이터를 간결하게 포맷하는 방식 덕분에 분석이 대폭 간소화된다는 것을 알게 되었습니다.
"이전에는 데이터 분석을 위해 C++ 코드를 직접 작성해야 했습니다."라고 그는 말했습니다. "Moku가 데이터를 패킹하고 구성하는 방식은 훨씬 더 효율적입니다."
분석 후, 이 그룹은 매우 낮은 조명(회전당 픽셀당 약 절반의 광자)으로 광자 계수 SPI를 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 결과의 예는 그림 2에서 볼 수 있습니다. 회전 속도를 보정하는 방법을 사용하여 수천 개의 디스크 사이클을 통합하여 이미지의 대비 대 잡음비(CNR)를 높일 수 있었습니다. 이 보정을 적용하지 않으면 속도 변동으로 인해 평균화가 더 많아지면서 CNR이 더 나빠질 것입니다.
그림 2: SPI 기술로 수집한 재구성된 이미지. 여러 사이클에 걸친 통합 효과를 보여줍니다. CNR은 사이클 수에 따라 증가합니다.
그룹의 실험은 회전 코딩 마스크가 이미징 애플리케이션에서 공간 변조에 사용될 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 이 장치는 DMD에 비해 비용이 낮고 소형이며 더 빠른 이미징을 위해 더 높은 재생률을 제공할 수 있습니다.
그룹의 작업은 이제 [1]에서 사용할 수 있습니다. 앞으로 Zhao는 팀이 더 많은 단일 광자 감지 실험을 개발하고 있다고 말합니다. Moku:Pro 여전히 그들의 첫 번째 선택이 될 것입니다.
참고자료
[1] Zi-Qing Zhao, Yue-Xi Zhang, Jia-Qi Song, Ming-Fei Li, Ling-An Wu, “고속 회전 코딩 디스크를 기반으로 하는 광자 계수 단일 픽셀 카메라,” Opt. Lett. 50, 169-172 (2025).
