Mid-infrared single-photon 3D imaging
本文提出了一种新型中红外3D成像系统，该系统通过将非线性频率上转换技术与硅基相机及时空去噪相结合，实现了单光子灵敏度和飞秒级时间分辨率，从而在极度光子匮乏的条件下实现了高分辨率的结构与反射率制图。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图为一个隐藏在厚重不透明玻璃块内部的秘密物体拍摄一张 3D 照片。在可见世界（即我们眼睛看到的可见光世界）中，玻璃挡住了视线；如果你尝试使用太暗的手电筒，你的相机将什么也看不见。
这篇论文描述了一种全新的“魔术相机”，它解决了两个大问题：它能利用不可见光穿透厚实的材料，并且即使在几乎没有光的情况下也能拍照——那种光线微弱到就像在黑暗的体育场里试图观察一只萤火虫。
以下是其工作原理的拆解，采用了简单的概念：
1. “不可见的手电筒”（中红外光）
大多数相机使用可见光。但这个团队使用的是**中红外（MIR）**光。可以把它想象成一种特殊的手电筒，它可以穿透可见光无法穿透的物体，比如厚硅片或某些塑料。这就像拥有了 X 射线视觉，能够看到化学细节并深入材料内部，而不会产生太多的散射。
2. “神奇的翻译官”（上转换技术）
这是最棘手的部分：我们目前还没有能够直接“看到”这种不可见中红外光的优秀相机。我们最好的相机（比如你手机里的那种）只能看到可见光。
为了解决这个问题，团队构建了一个翻译官。
- 他们让中红外光从物体表面反射出来。
- 在一种特殊的晶体内部，他们将这种光与一道超快速的、不可见的“泵浦”激光束混合在一起。
- 这块晶体充当了翻译官的角色：它将不可见的中红外光子瞬间转化为可见的绿色光子（就像萤火虫变成了蓝色）。
- 现在，标准的硅基相机（你手机里的那种）就可以捕捉到图像了。
3. “超快快门”（飞秒计时）
为了获得 3D 照片，相机需要知道物体的每一个点距离有多远。它通过测量光线反射回来的时间来实现这一点。
通常，电子快门太慢了，无法胜任。但这个系统使用了飞秒门控。
- 想象一扇门开启和关闭的速度极快，它只允许光通过极短的一瞬（一飞秒之于一秒，就像一秒之于 3100 万年）。
- 通过在精确的时刻开启这扇“门”，相机可以将场景切分成薄薄的层，就像切面包片一样，从而构建出 3D 模型。
- 正因为这扇门如此之快，图像的深度感极其锐利。
4. “回音壁”（单光子灵敏度）
这个系统最令人印象深刻的部分在于它对光的需求有多低。
- 通常，相机需要大量的光才能拍出照片。如果光线太暗，照片就只会是一片静态噪声。
- 这个系统非常灵敏，甚至可以探测到单光子（单个光粒子）。
- 他们通过测试来验证这一点：逐渐调暗光线，直到相机每秒钟只能捕捉到大约每个像素一个光子。这是一个极其黑暗的环境。
- 为了从这种“饥饿”的信号中提取信息，他们使用了一种智能计算机算法。这就像是图像的“降噪耳机”。该算法会观察像素在空间和时间上如何与其邻居“交流”。即使信号被埋在如山般的噪声之下，算法也能找到模式并将其清理干净，从而显现出物体的形状。
他们实际展示了什么
该团队不仅停留在理论层面，他们还制造了这台机器，并拍摄了以下图像：
- 隐藏在厚硅片下的硬币： 尽管硅块对普通光是不透明的，他们仍能看到硬币上的肖像。他们甚至能以极高的精度测量硬币上的微小凸起（小至 30 微米）。
- 堆叠的硅层： 他们绘制了两个被微小空气间隙隔开的堆叠硅片内部的图像，测量了厚度和层间间隙。
- 陶瓷金鱼： 他们从不同角度拍摄了一个小型金鱼雕塑的 3D 照片，从而构建了一个完整的 3D 模型。
- “黑暗”测试： 他们成功地在信号比背景噪声弱 20,000 倍的情况下，对金鱼进行了成像。如果没有他们那特殊的“降噪”算法，图像将只是一堆随机的静态噪声。
总结
这篇论文展示了一种利用不可见光拍摄隐藏在材料内部物体 3D 照片的新方法。它的工作原理是利用一个能将不可见光转化为可见光的“翻译官”，使用比任何其他设备都快的快门来测量深度，并使用智能计算机在光线近乎不存在的情况下也能看清图像。其结果是，即使物体被深埋在材料内部或处于极暗的光照环境下，也能获得高清晰度的物体形状和表面 3D 图谱。
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