光が情報を運ぶとき、例えば LiDAR およびその他のイメージング技術では、キャリアから最大限の忠実度で情報を検出および抽出できるように、強力な信号を持つことが最善です。いくつかの理由により、この理想的なシナリオが常に可能であるとは限りません。イメージング アプリケーションでは、生物学的材料は強い照明に敏感であり、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、低強度のイメージングを正確かつ迅速に実行する能力が重要です。
名門では 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備え、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ことができます。また、SPD の利点を活用した補完的な技術として、シングル ピクセル イメージング (SPI) と呼ばれる技術も登場しています。従来のイメージング システムを模倣するために SPD の配列を使用するのではなく、SPI は単一の検出器を使用して、タイムスタンプ付きの光子のストリームから画像を再構成します。
こうした進歩にもかかわらず、SPI 技術で光を回復できるように光を効果的に変調する方法が依然として課題となっています。空間光変調では、オンとオフを迅速に切り替えることができる数百万個のミクロン スケールのミラーの配列で構成されるデジタル マイクロミラー デバイス (DMD) が一般的です。ただし、これらのデバイスは変調速度が遅いため、対象物を画像化する速度が制限されます。
UCASのチームは、変調源として機能する回転するコーディングディスクを設計しました。これは、光を高速で変調できます。このアプローチでは、実装はDMDベースのシステムよりもコスト効率に優れています。しかし、この技術は有望ですが、コーディングディスクアプローチには独自の課題もあり、そのいくつかはMokuで解決されました。 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つ目はより伝統的な 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、多くの波長で動作できる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、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、従来の時間相関単一光子計数 (TCSPC) モジュールは超伝導 SPD および PD からの信号と常に互換性があるとは限らないため、グループが使用可能な時間カウンターを見つけることは困難でした。
この問題に対処するため、研究グループはタイム＆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与した。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、研究にとって魅力的な機器となるいくつかの利点を提供します。1 つ目は、イベントのしきい値電圧を変更できるため、周波数範囲に関係なく、単一のカウンターを使用してデータ収集を行えることです。
「別のTCSPCを試したが、超伝導SPDの振幅が変動したため使用できなかった」と彼は語った。
趙氏はまた、この装置のトリガー遅延機能は非常に役立ち、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述べた。回転速度のこの補正は、同様の設定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ため、重要なステップであった。
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ことで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。」
分析の結果、研究グループは、極めて低い照度 (2 回転あたりピクセルあたり約半分の光子) で光子計数 SPI を実行できることを示しました。その結果の例を図 XNUMX に示します。回転速度を補正する手法を使用して、数千のディスク サイクルを積分し、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、速度の変動により平均化が進むにつれて CNR が悪化します。
図 2: SPI 技術によって収集された再構成画像。多数のサイクルにわたる積分の効果を示しています。CNR はサイクル数に応じて増加します。
このグループの実験は、回転コーディングマスクがイメージングアプリケーションにおける空間変調に使用できる可能性を示しています。このデバイスは、DMD に比べてコストが低くコンパクトで、より高いリフレッシュ レートを提供してイメージングを高速化できます。
このグループの研究成果は[1]から入手可能です。今後、チームはさらなる単一光子検出実験を開発し、 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）」。
