CN106949965A - 基于时分复用的光子计数关联成像装置与方法 - Google Patents

基于时分复用的光子计数关联成像装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种基于时分复用的光子计数关联成像装置与方法，该装置由热光源、分光棱镜、参考透镜、面探测器、发射透镜、成像目标、接收望远镜、时分复用光子计数器和计算机组成，其中时分复用光子计数器由n路延时光纤和一个单光子探测器组成。本发明利用n路延时光纤和一个单光子探测器，实现了微弱光探测时的单脉冲光子计数功能，实现了光子计数量级的光强涨落探测，利用对返回光子数目的探测可实现光子计数模式下的关联成像，在弱光探测模式下获取目标的图像信息。

Description

基于时分复用的光子计数关联成像装置与方法
技术领域
本发明属于光学成像领域，涉及单脉冲光子计数，具体的说是一种基于时分复用光子计数的关联成像装置与方法。
背景技术
关联成像是一种利用热光场辐照目标，由一个无空间分辨能力的单像素探测器获取目标返回信号的涨落信息，通过涨落信息与探测热光场之间的二阶关联运算获取目标图像信息的非局域成像方法。目前为止，关联成像中的单像素探测器主要采用工作于线性模式下的光电转换器件，比如光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)、线性模式下的雪崩光电二级管(Avalanche Photodiode,APD)等。该类器件输出信号的幅值与输入光强成线性关系，虽然可以对输入光能进行高灵敏度探测(一般在百光子数量级)，并且能够准确测量输入光的强度涨落，但是在探测距离较远且发射能量受限的情况下，当每次测量到达探测器上的目标返回信号弱到几个光子时，工作在线性模式下的单像素探测器将难以实现对微弱光子信号的准确响应。此时利用盖革模式下的APD或者超导状态的纳米线探测器可对单光子量级的光信号做出响应并形成巨大的电流输出，可用于微弱光探测模式下的关联成像目标探测。然而，此类器件的信号输出形式一般为表征有无光子的矩形脉冲信号，高电平输出代表探测到光子(一般用数字信号1表示)，低电平输出代表没有探测到光子(一般用数字信号0表示)。对于关联成像而言，仅有0/1两种状态的光子涨落动态范围太小，同时此类器件的量子效率一般不超过70％，存在较大的探测错误率，将严重影响到关联成像的图像信息获取效率。
发明内容
针对上述微弱光关联成像存在的探测问题，本发明提出一种基于时分复用的光子计数关联成像方法。该方法利用时分复用光子计数器可以实现微弱光的单脉冲光子计数，从而实现对微弱光的强涨落进行准确测量，利用测得的光子数与参考光路记录下的光强分布信息进行二阶关联运算获取目标的实空间图像。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：
一种基于时分复用的光子计数关联成像装置，其特征在于包括一热光源，沿该热光源发出的光束方向设有分光棱镜，该分光棱镜将入射光分为反射光束和透射光束，反射光束方向作为参考光路，在该参考光路中沿光路依次放置参考透镜和具有高空间分辨能力的面探测器，透射光束方向作为物光路，在该物光路中沿光路依次放置发射透镜、成像目标、接收望远镜和时分复用光子计数器；所述的热光源、面探测器和时分复用光子计数器分别与计算机相连，并在计算机的控制下同步工作；所述的热光源、参考透镜、面探测器、发射透镜和成像目标之间的位置满足下列高斯成像关系：
其中：fc为参考透镜的焦距；
fw为发射透镜的焦距；
z1为热光源到参考透镜之间的距离；
z2为参考透镜到面探测器的感光面之间的距离；
z3为热光源到发射透镜之间的距离；
z4为参考透镜到成像目标之间的距离。
所述时分复用光子计数器的特征在于包括一根输入光纤，与该输入光纤相连的n路光纤分束器，该n路光纤分束器的输出端通过n路延时光纤与n路光纤合束器的输入端相连，该n路光纤合束器的输出端通过输出光纤与单光子探测器的输入端相连，该单光子探测器的输出端与数字计数器相连。所述的n路延时光纤由n根型号相同、长度由短到长依次增加的延时光纤组成，所述n根延时光纤的长度满足下列关系：
Li＝L1+(i-1)ΔL,i＝1…n
其中：L1代表第一根延时光纤的长度，Li代表第i根延时光纤的长度，ΔL代表相邻两根的延时光纤之间的长度差，为一恒定量，其数值由单光子探测器的采样频率v决定，具体表达式为：
其中：c代表光在延时光纤中的传播速度，由于不同延时光纤之间的长度差异，每两根长度相邻的延时光纤之间的光传播时间相差该时间差等于单光子探测器的采样周期所以当单光子探测器探测完第i根延时光纤的信号后，进行下一次探测时，第i+1根延时光纤的信号刚好到达。
本发明装置的工作过程如下：
①热光源在计算机的控制下发出脉冲光，发射光被分光棱镜分为两路，其中反射光路中的参考透镜将热光源面处的光场分布成像到面探测器的感光面上，面探测器在计算机的控制下记录本次发射光场的光强分布信息Ii(x)；
②透射光路中发射透镜将热光源面处的光场分布成像到目标上，光场经目标反射后被接收望远镜收集接收并输入时分复用光子计数器，时分复用光子计数器在计算机的控制下探测并记录下本次采样的返回光子数Ci；
③所述的热光源、面探测器和时分复用光子计数器在计算机的控制下按照步骤①和步骤②中的工作方式同步进行多次采样，依次分别记录下每次采样的光场分布Ii(x)和返回光子数Ci，其中i＝1,2…k为采样次数；
④利用计算机对面探测器记录的光强分布信息Ii(x)和时分复用光子计数器记录的返回光子数Ci进行关联运算，得到目标的实空间像。
所述基于n路延时光纤和一个单光子探测器的时分复用光子计数方案的工作过程如下：
步骤1)一次采样过程中，单光子探测器在同步信号控制下连续执行n次探测，第i次探测对应第i根延时光纤的输入，如果有光子进入单光子探测器，则单光子探测器输出一个高电平信号给数字计数器并记为1；如果没有光子进入单光子探测器，则单光子探测器输出一个低电平信号给数字计数器并记为0。
步骤2)一次采样完成后，计数器将n次探测的结果相加得到一个0-n之间的数字，将该数字作为本次采样探测到的单脉冲光子数。
与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：
1.利用n路延时光纤和一个单光子探测器，实现了微弱光探测时的单脉冲光子计数功能，实现了光子计数量级的光强涨落探测。
2.利用对返回光子数目的探测可实现光子计数模式下的关联成像，在弱光探测模式下获取目标的图像信息。
附图说明
图1是本发明基于时分复用的光子计数关联成像装置的结构示意图。
图中：1是热光源，2是分光棱镜，3是参考透镜，4是面探测器，5是发射透镜，6是成像目标，7是接收望远镜，8是时分复用光子计数器，9是计算机。
图2是本发明基于n路延时光纤和一个单光子探测器的时分复用光子计数方案结构示意图。
图中：10是输入光纤，11是n路光纤分束器，12是n路延时光纤，13是n路光纤合束器，14是输出光纤，15是单光子探测器，16是数字计数器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明基于时分复用的光子计数关联成像方法示意图。一种基于时分复用的光子计数关联成像装置，包括一热光源1，沿该热光源1发出的光束方向设有分光棱镜2，该分光棱镜2将入射光分为反射光束和透射光束，反射光束方向作为参考光路，在该参考光路中沿光路依次放置参考透镜3和具有高空间分辨能力的面探测器4，透射光束方向作为物光路，在该物光路中沿光路依次放置发射透镜5、成像目标6、接收望远镜7和时分复用光子计数器8；所述的热光源1、面探测器4和时分复用光子计数器8分别与计算机9相连，并在计算机9的控制下同步工作；所述的热光源1、参考透镜3、面探测器4、发射透镜5和成像目标6之间的位置满足下列高斯成像关系：
其中：fc为参考透镜3的焦距；
fw为发射透镜5的焦距；
z1为热光源1到参考透镜3之间的距离；
z2为参考透镜3到面探测器4的感光面之间的距离；
z3为热光源1到发射透镜5之间的距离；
z4为参考透镜3到成像目标6之间的距离。
图2是本发明基于n路延时光纤和一个单光子探测器的时分复用光子计数方案结构示意图。所述的时分复用光子计数器8包括一根输入光纤10，与该输入光纤10相连的n路光纤分束器11，该n路光纤分束器11的输出端通过n路延时光纤12与n路光纤合束器13的输入端相连，该n路光纤合束器13的输出端通过输出光纤14与单光子探测器15的输入端相连，该单光子探测器15的输出端与数字计数器16相连。所述n路延时光纤12由n根型号相同、长度由短到长依次增加的延时光纤组成，所述n根延时光纤的长度满足下列关系：
Li＝L1+(i-1)ΔL,i＝1…n
其中：L1代表第一根延时光纤的长度，Li代表第i根延时光纤的长度，ΔL代表长度相邻的两根延时光纤之间的长度差，为一恒定量，其数值由单光子探测器15的采样频率v决定，具体表达式为：
其中：c代表光在延时光纤中的传播速度。所述时分复用光子计数方案的工作过程如下：
①一次采样过程中，单光子探测器在同步信号控制下连续执行n次探测，第i次探测对应第i根延时光纤的输入，如果有光子进入单光子探测器，则单光子探测器输出一个高电平信号给数字计数器并记为1；如果没有光子进入单光子探测器，则单光子探测器输出一个低电平信号给数字计数器并记为0。
②一次采样完成后，计数器将n次探测的结果相加得到一个0-n之间的数字，将该数字作为本次采样探测到的单脉冲光子数。
所述的热光源1、面探测器4和时分复用光子计数器8分别与计算机9相连，并在计算机9的控制下同步工作：
①热光源在计算机的控制下发出脉冲光，发射光被分光棱镜分为两路，其中反射光路中的参考透镜将热光源面处的光场分布成像到面探测器的感光面上，面探测器在计算机的控制下记录本次发射光场的光强分布信息Ii(x)；
②透射光路中发射透镜将热光源面处的光场分布成像到目标上，光场经目标反射后被接收望远镜收集接收并输入时分复用光子计数器，时分复用光子计数器在计算机的控制下探测并记录下本次采样的返回光子数Ci；
③所述的热光源、面探测器和时分复用光子计数器在计算机的控制下按照步骤①和步骤②中的工作方式同步进行多次采样，依次分别记录下每次采样的光场分布Ii(x)和返回光子数Ci，其中i＝1,2…k为采样次数；
④利用计算机对面探测器记录的光强分布信息Ii(x)和时分复用光子计数器记录的返回光子数Ci进行关联运算，得到目标的实空间像。
所述的计算机9进行关联运算过程为：
将每次采样中时分复用光子计数器8记录下的返回光子数Ci与面探测器4记录下的x处的光强值Ii(x)，其中i＝1,2…k为采样次数，按以下公式进行关联运算(J.Cheng andS.Han,Phys.Rev.Lett.92,093903,2004)：
ΔG(2,2)(x)＝<Ii(x)Ci>-<Ii(x)><Ci>
利用上述关联运算公式对返回光子数Ci和面探测器4上不同位置x处的光强值Ii(x)逐一进行关联运算，得到的二维关联数值分布记为目标在实空间的图像。

Claims (4)

1.一种基于时分复用的光子计数关联成像装置，其特征在于包括一热光源(1)，沿该热光源(1)发出的光束方向设有分光棱镜(2)，该分光棱镜(2)将入射光分为反射光束和透射光束，反射光束方向作为参考光路，在该参考光路中沿光路依次放置参考透镜(3)和具有高空间分辨能力的面探测器(4)，透射光束方向作为物光路，在该物光路中沿光路依次放置发射透镜(5)、成像目标(6)、接收望远镜(7)和时分复用光子计数器(8)；所述的热光源(1)、面探测器(4)和时分复用光子计数器(8)分别与计算机(9)相连，并在计算机(9)的控制下同步工作；所述的热光源(1)、参考透镜(3)、面探测器(4)、发射透镜(5)和成像目标(6)之间的位置满足下列高斯成像关系：
1 f c = 1 z 1 + 1 z 2 1 f w = 1 z 3 + 1 z 4
其中：fc为参考透镜(3)的焦距；
fw为发射透镜(5)的焦距；
z1为热光源(1)到参考透镜(3)之间的距离；
z2为参考透镜(3)到面探测器(4)的感光面之间的距离；
z3为热光源(1)到发射透镜(5)之间的距离；
z4为参考透镜(3)到成像目标(6)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的基于时分复用的光子计数关联成像装置，其特征在于，所述的时分复用光子计数器(8)包括一根输入光纤(10)，与该输入光纤(10)相连的n路光纤分束器(11)，该n路光纤分束器(11)的输出端通过n路延时光纤(12)与n路光纤合束器(13)的输入端相连，该n路光纤合束器(13)的输出端通过输出光纤(14)与单光子探测器(15)的输入端相连，该单光子探测器(15)的输出端与数字计数器(16)相连。
3.根据权利要求2所述的基于时分复用的光子计数关联成像装置，其特征在于，所述的n路延时光纤(12)由n根型号相同、长度由短到长依次增加的延时光纤组成，所述n根延时光纤的长度满足下列关系：
Li＝L1+(i-1)ΔL,i＝1…n
其中：L1代表第一根延时光纤的长度，Li代表第i根延时光纤的长度，ΔL代表长度相邻的两根延时光纤之间的长度差，为一恒定量，其数值由单光子探测器(15)的采样频率v决定，具体表达式为：
&Delta; L = c v
其中：c代表光在延时光纤中的传播速度。
4.一种基于时分复用的光子计数关联成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①热光源(1)在计算机(9)的控制下发出脉冲光，发射光被分光棱镜(2)分为两路，其中反射光路中的参考透镜(3)将热光源面处的光场分布成像到面探测器(4)的感光面上，面探测器(4)在计算机(9)的控制下记录本次发射光场的光强分布信息Ii(x)；
②透射光路中发射透镜(5)将热光源面处的光场分布成像到目标(6)上，光场经目标(6)反射后被接收望远镜(7)收集接收并输入时分复用光子计数器(8)，时分复用光子计数器(8)在计算机(9)的控制下探测并记录下本次采样的返回光子数Ci；
③所述的热光源(1)、面探测器(3)和时分复用光子计数器(8)在计算机(9)的控制下按照步骤①和步骤②中的工作方式同步进行多次采样，依次分别记录下每次采样的光场分布Ii(x)和返回光子数Ci，其中i＝1,2…k为采样次数；
④利用计算机(9)对面探测器(4)记录的光强分布信息Ii(x)和时分复用光子计数器(8)记录的返回光子数Ci进行关联运算，得到目标的实空间像。
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