據麥姆斯咨詢介紹，快速、高分辨率、低噪聲的3D成像技術在空間成像、生物醫學顯微鏡、智慧安防、工業檢測、文化遺產保護等眾多領域得到廣泛應用。傳統的全光場成像因具有出色的時間分辨率被視為最有前途的3D成像技術之一：一次拍攝完成，以3000萬像素的分辨率每秒拍攝7幀，或以100萬像素的分辨率每秒拍攝180幀，無需多個傳感器、近場技術、耗時掃描和干涉技術。然而，傳統的全光場成像會損失分辨率，這通常是不可接受的。

來自歐洲的一支研究團隊打破了這種局限，將全新的基礎性方法與上一代硬軟件解決方案相結合。基本思路是通過使用新型傳感器和測量協議來利用存儲在光相關性中的信息，實現一項非常艱巨的任務：高速（10-100fps）量子全光場成像（Quantum Plenoptic Imaging，縮寫為QPI），具有超低噪聲、出色的分辨率和景深。

這項成像技術旨在成為第一項實用“量子”成像技術，突破了經典成像方式的極限。除此之外，該技術的量子特性還允許從極低光子通量下光的相關信息中提取3D圖像信息，從而減少場景對照明的需求。

該項研究工作是基于高速和高分辨率量子三維成像（Qu3D）項目基礎而開展起來的，由2019 QuantERA發起，專家來自意大利、捷克、瑞士和希臘的科研機構和工業合作伙伴。

最先進的全光場相機通過在標準數碼相機的主鏡頭和傳感器之間插入微透鏡陣列（MLA）來實現方向探測（見圖1a）。該傳感器獲取允許通過光探測物體和透鏡位置的復合信息。但由于結構（使用微透鏡陣列）和物理（高斯極限）原因，圖像分辨率與獲得的方向信息成反比。因此，基于簡單的光強測量器件，衍射極限處的全光場成像被認為是不可能實現的。

近日，參與Qu3D項目的意大利國立核物理研究所（INFN）小組提出了一種新技術，稱為“關聯全光場成像”（Correlation Plenoptic Imaging，縮寫為CPI），能夠解決現有全光場器件的分辨率缺陷，并保持重新聚焦能力和三維重建的優勢。CPI可以基于強度測量，也可以基于光子探測，這由光源決定。實際上，CPI可以基于表征混沌源和糾纏光子束的時空相關性，對兩個不相交傳感器的空間和方向信息進行編碼，如圖1b所示。

為了提高CPI在采集速度和數據處理的時間精準性，該研究團隊采用了專用的先進傳感器和超高速計算平臺。

先進傳感器基于SPAD技術。當光電二極管的反向偏置電壓高于擊穿電壓，一個光子撞擊到光敏區域并產生一個電子-空穴對，進而觸發次級載流子的雪崩，并在很短的時間尺度（皮秒）產生大電流。

基于QPI的要求，研究人員選擇了瑞士格桑聯邦理工學院（EPFL）AQUA實驗室開發的SwisSPAD2陣列，像素分辨率是512 x 512（，這是迄今為止最寬、最先進的SPAD陣列之一。該傳感器內部結構由兩個256 x 512的SPAD陣列組成，以減少信號線上的負載，提高運行速度。

在與SwissSPAD2集成的QPI器件中，單幀采集數據速率約為26 Gb/s，這已經超出了標準數據總線的能力，對硬件和軟件設計都提出了很大的挑戰。基于這樣的挑戰性目標，研究人員對市售的商用產品解決方案進行了初步分析，以確定一組滿足QPI對計算能力和可移植性要求的一系列加速器件。

英偉達（NVIDIA）的Jetson Xavier AGX開發套件提供，被認為是最適合的計算平臺。Jetson Xavier AGX提供了令人鼓舞的性能/集成比、低功耗和非常有趣的計算能力。

通過專用量子和經典圖像處理技術，如基于壓縮傳感的新穎數學方法、量子層析成像與量子Fisher信息，可進一步減少收集時間。在論文中，作者討論了壓縮傳感、全光場層析成像、量子層析成像和量子Fisher信息等算法的作用和實驗數據。

為了實現實用的量子3D成像，研究人員提出了具有挑戰性的研究方向：在不犧牲高信噪比（SNR）、高分辨率和大景深等優勢的前提下，盡可能降低采集速度。研究人員在經典成像和量子成像兩方面都取得了重大進展，提高了全光場成像性能，極大地加快了量子成像，從而促進了量子全光場相機的落地。

研究人員還雄心勃勃地計劃將量子成像的范圍擴展到其他科學領域，并為新的市場機遇和應用開辟道路，如用于生物醫學成像的3D顯微鏡，以及用于智慧安防、空間成像和工業檢測的新型設備（3D成像、重新聚焦和距離檢測能力增強的量子數碼相機）。這項合作跨越了眾多學科（例如量子成像、超高速相機、GPU的低水平編程、壓縮傳感、量子信息理論和信號處理）的傳統界限。

編輯：jq