Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Apr 01, 2023

Meeri Kim

Forscher haben ein Lidar-System entwickelt, das Quantenerkennungstechnologie nutzt, um 3D-Bilder unter Wasser aufzunehmen. Sie demonstrierten die Technologie, indem sie ein 3D-Bild (links) eines Rohrs (rechts) machten. Der Scan wurde unter Bedingungen geringer Streuung durchgeführt, wobei das Einzelphotonensystem in einen Tank getaucht war. [Bild: A. Maccarone, Heriot-Watt University] [Bild vergrößern]

Forscher im Vereinigten Königreich, Frankreich und Spanien haben ein Unterwasser-Lidar-System entwickelt, das 3D-Bilder in Echtzeit erfassen kann (Opt. Express, doi: 10.1364/OE.487129). Während ähnliche Demonstrationen mit dem optischen Aufbau außerhalb eines Wassertanks durchgeführt wurden, konnte der aktuelle Prototyp erfolgreich dreidimensionale Videos von sich bewegenden Zielen aufnehmen, während er vollständig untergetaucht war.

Die neuartige Technologie, die auf Einzelphotonendetektion basiert, könnte zur Inspektion von Unterwasseranlagen wie Offshore-Windparks, zur Überwachung oder Vermessung untergetauchter archäologischer Stätten oder für Sicherheits- und Verteidigungsanwendungen eingesetzt werden.

Die hochauflösende optische Bildgebung in trübem Wasser bleibt aufgrund von Absorption und Streuung eine Herausforderung, die bei relativ kurzen Ausbreitungsentfernungen zu einer erheblichen Signaldämpfung führt. In früheren Arbeiten berichteten Aurora Maccarone von der Heriot-Watt University, Großbritannien, und ihre Kollegen über den ersten Einsatz von Einzelphotonen-Detektionstechniken zur Unterwasserbildgebung, die eine sehr hohe Durchdringung durch trübes Wasser ermöglichen.

„Durch die Messung der Flugzeit der Lichtimpulse konnten wir dreidimensionale Bilder von Unterwasserobjekten rekonstruieren“, sagte Studienautor Maccarone. „Diese [neueste Studie] stellt einen Fortschritt dar, da es sich unseres Wissens nach um den ersten Prototyp eines vollständig untergetauchten Bildgebungssystems handelt, das auf Quantenerkennungstechnologien basiert.“

Frühere Experimente ihres Teams und anderer Gruppen wurden immer unter sorgfältig kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt, wobei der optische Aufbau außerhalb eines Wassertanks platziert und die Datenanalyse offline durchgeführt wurde. Jetzt befindet sich nicht nur der optische Aufbau unter Wasser, sondern die von Maccarone und ihren Kollegen vorgenommenen Hardware- und Softwareentwicklungen ermöglichen auch die Rekonstruktion von 3D-Bildern in Echtzeit.

Das System umfasste einen grünen gepulsten Laser (532 nm, 20 MHz) zur Beleuchtung und ein hochempfindliches Array (192 × 128 Pixel) aus Einzelphotonen-Lawinendioden zur Erkennung sowie ein Faserkollimationspaket, einen optischen Diffusor, Linsen und einen Bandpass Filter. Durch die Messung der Rückkehrzeit des reflektierten Lichts konnte die Entfernung zum Ziel genau gemessen werden.

Der Prototyp ermöglichte Bilder von stationären Zielen in Entfernungen von 3 m sowie Echtzeit-3D-Videodemonstrationen von sich bewegenden Zielen mit 10 Bildern pro Sekunde.

„Die Anordnung von Einzelphotonendetektoren bietet den Vorteil einer ultraschnellen Erkennung von Ereignissen bei schwachem Licht und verkürzt die Zeit für Operationen in photonenarmen Umgebungen, wie zum Beispiel in tiefem Wasser, erheblich“, sagte Maccarone.

Nachdem sie den optischen Aufbau auf einem Labortisch zusammengebaut und getestet hatten, stellten die Forscher die Ausrüstung in einen großen Wassertank (4 × 3 × 2 m). Sie tauchten das System in Wasser und fügten kontrolliert ein Streumittel hinzu, um das Wasser trüber zu machen. Der Prototyp ermöglichte Bilder von stationären Zielen in Entfernungen von 3 m sowie Echtzeit-3D-Videodemonstrationen von sich bewegenden Zielen mit 10 Bildern pro Sekunde.

„Derzeit besteht die größte Herausforderung darin, zu verstehen, wie die Größe jeder Komponente reduziert werden kann, um das Bildgebungssystem in ein Unterwasserfahrzeug zu integrieren“, sagte Maccarone. „Wir arbeiten mit der Industrie zusammen, um eine geeignete Lösung zu finden, um dies zu ermöglichen, ohne Kompromisse bei der Leistung des Systems einzugehen.“

Veröffentlichungsdatum: 10. Mai 2023