単一光子LiDAR、最大1キロメートル離れた場所から詳細な点群を取得

この新しいシステムは、困難な環境条件下や、オブジェクトが葉や迷彩ネットで覆い隠されている場合でも、詳細な画像化を可能にすることで、セキュリティ、モニタリング、およびリモートセンシングを強化するのに役立つ可能性があるという。

英国のヘリオット・ワット大学の研究チームメンバーであるAongus McCarthy氏は、次のようにコメントしている。

Optica Publishing Groupの高インパクト研究ジャーナルであるOpticaで、英国と米国の複数の機関の研究者グループは、新しいシステムが325メートル離れた人物から明確に認識可能な人間の顔を描写する3D画像を構築できることを示している。研究者らは、ヘリオット・ワット大学のGerald Buller氏のグループ、グラスゴー大学のRobert Hadfield氏のグループ、NASAジェット推進研究所のMatthew Shaw氏のグループ、MITのKarl Berggren氏のグループから参加した。

新論文の筆頭著者であるMcCarthy氏は、次のようにコメントしている。

光による距離測定

単一光子飛行時間深度イメージングシステムは、レーザーパルスがシステムからオブジェクト上の点まで移動し、戻るのにかかる時間を使用して、オブジェクトまでの距離を計算する。これらの飛行時間測定は、オブジェクト全体の点に対して繰り返し、3D情報を取得する。

新しいシステムは、MITおよびJPLの研究グループによって開発された超高感度検出器である超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SNSPD）を使用する。SNSPDは単一の光子を検出できる。これは、目に安全なレーザーを含む非常に低電力のレーザーを使用して、非常に短時間で長距離にわたって測定を実行できることを意味する。ノイズレベルを低減するために、検出器はグラスゴー大学のグループが設計および構築したコンパクトな極低温冷却器システムで1ケルビンを下回る温度まで冷却された。

研究者らは、冷却されたSNSPDを、ヘリオット・ワット大学のMcCarthy氏が設計した1550nm波長で動作する新しいカスタムシングルピクセルスキャニングトランシーバーと組み合わせた。また、極めて正確な時間間隔を測定するために、1兆分の1秒（ピコ秒）までの精度で高度なタイミング機器を追加した。それを理解するために、わずか1,000ピコ秒で、光は約300ミリメートル（約1フィート）移動できる。この精度により、325メートル離れた場所から約1mmの深さで分離された表面を区別することが可能になった。

遠隔オブジェクトの3D測定

研究者らは、ヘリオット・ワット大学のキャンパスでLiDARシステムのフィールドテストを実施し、45メートル、325メートル、または1キロメートル離れたオブジェクトから測定を行った。

空間分解能と深度分解能を評価するために、彼らは柱のサイズと高さを変えたカスタム3Dプリントターゲットをスキャンした。 このシステムは、45メートルと325メートルの距離で、昼間で1ミリメートルという小さな特徴を解像した。 また、1ピクセルあたりの取得時間1ms、目に安全な3.5mWのレーザー、最小限のデータ処理で、これらの距離で人間の顔の3D画像を撮影した。

LiDARシステムのフィールドテストは1キロメートルの範囲に限定されていたが、研究者らは最大10kmの距離でシステムをテストし、煙や霧などの大気遮蔽物を介して画像化を検討することを計画している。将来の作業では、高度な計算方法を使用してデータ分析を加速し、より遠くのシーンの画像化を可能にすることにも重点を置く予定だという。

▶︎ヘリオット・ワット大学

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