빛이 정보를 전달하는 경우, 예를 들어 LiDAR 다른 이미징 기술의 경우, 정보를 최대한 정확하게 검출하고 추출하기 위해서는 강력한 신호가 필수적입니다. 하지만 여러 가지 이유로 이러한 이상적인 시나리오가 항상 가능한 것은 아닙니다. 이미징 응용 분야에서 생체 물질은 강한 조명에 민감할 수 있으며, LiDAR 측정은 종종 장거리에서 이루어지기 때문에 수신 신호의 강도가 감소합니다. 이러한 경우, 저강도 이미징을 정밀하고 신속하게 수행하는 능력이 매우 중요합니다. 권위 있는 LiDAR 분야에서는 이러한 점을 고려해야 합니다. 중국과학원대학 (UCAS), 박사 그룹 밍페이 리 저강도 이미징 프로세스의 비용 효율성과 속도를 개선하기 위해 특별히 설계된 코딩 디스크를 사용하여 단일 광자를 시간 내에 분산시킵니다. 광자 감지를 위해 연구원들은 다음을 사용합니다. Moku:Pro, Liquid Instruments의 FPGA 기반 장치로, 빠르고 유연한 신호 처리 및 분석을 위한 재구성 가능한 테스트 및 측정 장비 모음을 제공합니다. Moku 활용 시간 및 진동수 분석기 광자 계수 모듈로서, 공간적으로 변조된 빛에 포함된 중요한 데이터를 빠르게 디코딩할 수 있습니다.
난제
저강도 광신호를 측정하기 위해 연구자들은 개발에 진전을 이루었습니다. 단일 광자 검출기 (SPD)는 놀라운 감도와 시간 분해능을 제공하며, 피코초 해상도로 단일 광자 규모의 에너지를 감지할 수 있습니다. SPD의 장점을 활용하는 SPI(Single-Pixel Imaging)라는 보완적인 기술도 등장했습니다. 기존 이미징 시스템을 모방하기 위해 SPD 어레이를 사용하는 대신, SPI는 단일 검출기를 사용하여 시간 스탬프가 찍힌 광자 스트림으로부터 이미지를 재구성합니다. 이러한 발전에도 불구하고, SPI 기술로 이미지를 복원할 수 있도록 빛을 효과적으로 변조하는 방법은 여전히 과제로 남아 있습니다. 수백만 개의 마이크론 크기 거울로 구성된 어레이를 빠르게 켜고 끌 수 있는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)는 공간 광 변조에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 장치는 변조 속도가 느려 물체 이미징 속도에 제약을 받습니다. UCAS 연구팀은 빠른 속도로 빛을 변조할 수 있는 회전 코딩 디스크를 변조 소스로 설계했습니다. 이러한 접근 방식을 사용하면 DMD 기반 시스템보다 구현 비용 효율성도 높아집니다. 하지만 이 기술은 유망하지만, 코딩 디스크 방식은 고유한 문제점도 안고 있었고, 개발팀은 Moku를 통해 이러한 문제점 중 일부를 해결했습니다. 시간 및 진동수 분석기.
해법
코딩 디스크의 효율성을 확인하기 위해 그룹은 그림 1에 표시된 설정을 개발했습니다. 헬륨-네온 레이저 물체를 비추고, 전달된 빛은 회전하는 디스크를 통과합니다. 두 부분으로 구성된 디스크는 일정한 속도로 회전합니다. 디스크의 인코딩 부분은 공간적으로 변조된 광자를 가져와 개별 감지를 위해 시간 내에 분산시킵니다. 이러한 인코딩된 데이터 패턴은 디스크 외부의 노치에 의해 광학적으로 잘린 LED를 통해 감지기와 동기화됩니다. "동기화" 포토다이오드의 결과 펄스는 클록 신호를 제공하며, 이는 그룹이 기술의 주요 장애물 중 하나인 회전 속도의 분산을 극복하는 데 도움이 되었습니다.
그림 1: 실험 장치. (a) Moku:Pro를 사용한 이미징 장치. (b) 회전 코딩 마스크의 위쪽에서 본 모습. 빨간색 사각형: 이미징 영역, 녹색 화살표: 동기화 노치. (c) 마스크를 확대한 모습. 검출을 위해 연구팀은 두 개의 SPD 장치를 사용했습니다. 첫 번째는 보다 전통적인 방식이었습니다. 단일 광자 눈사태 다이오드 연구팀은 400~1060nm 주파수 범위에서 작동하는 SPAD(Single Photon Detection Device)를 사용했습니다. 또한 1064nm 또는 1550nm와 같은 다양한 파장에서 작동할 수 있는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)도 활용했습니다. 이 장치들은 서로 다른 논리로 작동하는데, SPAD는 이벤트를 감지하면 TTL 논리 펄스를 출력하는 반면, SNSPD와 동기화된 PD는 아날로그 전압을 출력합니다. 이러한 차이로 인해 기존의 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC) 모듈이 초전도 SPD 및 PD의 신호와 항상 호환되지 않아 사용 가능한 시간 카운터를 찾는 데 어려움을 겪었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 SPD에서 감지된 이벤트를 계수하고 타임스탬프를 기록하기 위해 시간 및 주파수 분석기를 사용했습니다. 논문의 주저자인 대학원생 Zi-Qing Zhao는 재구성 가능한 모쿠 이 플랫폼은 연구에 여러 가지 이점을 제공하여 장비의 활용도를 높였습니다. 첫 번째는 이벤트 발생 시 임계 전압을 변경할 수 있다는 점으로, 주파수 범위에 관계없이 단일 카운터로 데이터를 수집할 수 있게 해줍니다. "다른 TCSPC를 사용해 봤지만, 초전도 SPD의 진폭이 일정하지 않아 사용할 수 없었습니다."라고 그는 말했습니다. 자오 교수는 또한 장비의 트리거 지연 기능이 매우 유용했다고 언급했는데, 이는 물리적 불안정성으로 인해 발생하는 디스크 회전 주기의 미세한 변동을 보정하는 데 도움이 되었기 때문입니다. 회전 속도 보정은 이전 실험에서 유사한 장비 구성으로 인해 성능이 제한되었던 문제를 해결하는 데 매우 중요한 단계였습니다.
결과
측정을 할 때 Moku는 시간 및 진동수 분석기 동시에 두 개의 입력 채널에 이벤트를 등록합니다. 하나는 동기화 펄스를 추적하고 다른 하나는 광자 이벤트를 추적합니다. 그런 다음 각 이벤트에 타임스탬프를 할당합니다. 데이터 수집 후 원시 타임스탬프 데이터는 Moku 파일 변환기를 사용하여 CSV 형식으로 변환되고 후처리를 위해 호스트 PC로 가져옵니다. Zhao는 Python 데이터 처리 스크립트를 작성하던 중 Moku가 데이터를 간결하게 포맷하는 방식 덕분에 분석이 훨씬 간편해졌다는 것을 발견했습니다. 그는 "이전에는 데이터 분석을 위해 C++ 코드를 직접 작성해야 했습니다."라고 말하며, "Moku가 데이터를 압축하고 구성하는 방식 덕분에 훨씬 효율적으로 작업할 수 있게 되었습니다."라고 덧붙였습니다. 분석 결과, 연구팀은 극히 낮은 조도(픽셀당 회전당 약 0.5개의 광자)에서도 광자 계수 SPI를 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 그 결과의 예는 그림 2에서 확인할 수 있습니다. 연구팀은 회전 속도를 보정하는 방법을 사용하여 수천 번의 디스크 사이클에 걸쳐 적분함으로써 이미지의 대비 대 잡음비(CNR)를 향상시킬 수 있었습니다. 이러한 보정을 적용하지 않으면 속도 변동으로 인해 평균화 횟수가 많아질수록 CNR이 오히려 악화됩니다.
그림 2: SPI 기술로 수집된 재구성된 이미지로, 여러 주기 동안의 통합 효과를 보여줍니다. CNR은 주기 수에 따라 증가합니다. 연구팀의 실험은 스피닝 코딩 마스크가 이미징 응용 분야에서 공간 변조에 사용될 수 있는 잠재력을 보여줍니다. 이 장치는 DMD에 비해 비용이 저렴하고 소형이며, 더 빠른 이미징을 위해 더 높은 갱신 속도를 제공할 수 있습니다. 연구팀의 연구 결과는 [1]에서 확인할 수 있습니다. Zhao는 앞으로 연구팀이 더 많은 단일 광자 검출 실험을 개발할 계획이라고 밝혔습니다. Moku:Pro 여전히 그들의 첫 번째 선택이 될 것입니다.
참고자료
[1] Zi-Qing Zhao, Yue-Xi Zhang, Jia-Qi Song, Ming-Fei Li, Ling-An Wu, “고속 회전 코딩 디스크를 기반으로 하는 광자 계수 단일 픽셀 카메라,” Opt. Lett. 50, 169-172 (2025).