CN113009689A - 量子成像方法以及量子成像系统 - Google Patents

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CN113009689A CN202110238903.3A CN202110238903A CN113009689A CN 113009689 A CN113009689 A CN 113009689A CN 202110238903 A CN202110238903 A CN 202110238903A CN 113009689 A CN113009689 A CN 113009689A
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Abstract

本申请提供了一种量子成像方法及量子成像系统。量子成像方法包括：通过入射光照射至目标物体后形成信号光，并对信号光进行收集，获得第i次信号光和第i+m次信号光；确定第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure DDA0002961385840000011
和
Figure DDA0002961385840000012
获取分别与第n阶导数
Figure DDA0002961385840000013
和
Figure DDA0002961385840000014
对应的参考导数信号
Figure DDA0002961385840000015
和
Figure DDA0002961385840000016
以及根据第n阶导数
Figure DDA0002961385840000017
和
Figure DDA0002961385840000018
以及参考导数信号
Figure DDA0002961385840000019
和
Figure DDA00029613858400000110
中的至少三个构建目标物体的量子成像模型，以获得目标物体的图像，其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x,y)为参考导数信号的空间坐标。根据该量子成像方法，可在整体上减少测量数据的次数和数量，减轻数据存储的负担，进而缩短构建图像的时间，提高量子成像的速度和效率。

Description

量子成像方法以及量子成像系统
技术领域
本申请涉及量子成像领域，特别地涉及一种量子成像方法以及量子成像系统。
背景技术
量子成像也被称为“鬼成像”或者“关联成像”，是一种利用光场的二阶关联性质或高阶关联性质获取物体信息的成像技术。
在传统的量子成像方法中，主要通过计算关联函数及其量子期望值来实现成像，因而需要计算出涉及到的整体数据的平均值。此外，在获取图像之前，还需要把所有相关的图像数据预先储存后再进行计算。因此传统的量子成像方法需要大量的测量数据，进而需要较多的测量次数和较大的存储数据空间，进一步地，大量测量数据的计算还导致通过量子成像方法构建图像的时间过长。基于上述传统的量子成像方法中出现的问题，目前量子成像难以利用诸如FPGA、ASIC等芯片实现，并且也难以实现实时在线成像。
发明内容
本申请提供了一种可至少部分解决现有技术中存在的上述问题的量子成像方法及量子成像系统。
本申请一方面提供了一种量子成像方法，所述方法包括：通过入射光照射至目标物体后形成信号光，并对所述信号光进行收集，获得第i次信号光和第i+m次信号光；确定所述第i次信号光和所述第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000011
和
Figure BDA0002961385820000012
获取分别与所述第n阶导数
Figure BDA0002961385820000021
和
Figure BDA0002961385820000022
对应的参考导数信号
Figure BDA0002961385820000023
和
Figure BDA0002961385820000024
以及根据所述第n阶导数
Figure BDA0002961385820000025
和
Figure BDA0002961385820000026
以及所述参考导数信号
Figure BDA0002961385820000027
和
Figure BDA0002961385820000028
中的至少三个构建所述目标物体的量子成像模型，以获得所述目标物体的图像，其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x，y)为所述参考导数信号的空间坐标。
在本申请一实施方式中，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure BDA0002961385820000029
的量子成像模型：
Figure BDA00029613858200000210
其中，收集的总次数为N。
在本申请一实施方式中，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure BDA00029613858200000211
的量子成像模型：
Figure BDA00029613858200000212
其中，收集的总次数为N。
在本申请一实施方式中，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure BDA00029613858200000213
的量子成像模型：
Figure BDA00029613858200000214
其中，收集的总次数为N。
在本申请一实施方式中，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure BDA00029613858200000215
的量子成像模型：
Figure BDA00029613858200000216
其中，收集的总次数为N。
在本申请一实施方式中，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure BDA00029613858200000217
的量子成像模型：
Figure BDA00029613858200000218
其中，收集的总次数为N。
在本申请一实施方式中，获取分别与所述第n阶导数
Figure BDA0002961385820000031
和
Figure BDA0002961385820000032
对应的参考导数信号
Figure BDA0002961385820000033
和
Figure BDA0002961385820000034
的方法包括：将光源发出的光分为所述入射光和参考光；对所述参考光进行收集，获得第i次参考光和第i+m次参考光；以及获取所述第i次参考光和所述第i+m次参考光相对于时间t的第n阶导数作为所述参考导数信号
Figure BDA0002961385820000035
和
Figure BDA0002961385820000036
在本申请一实施方式中，获取分别与所述第n阶导数
Figure BDA0002961385820000037
和
Figure BDA0002961385820000038
对应的参考导数信号
Figure BDA0002961385820000039
和
Figure BDA00029613858200000310
的方法包括：在调制信号调制光源发出的光形成所述入射光的过程中，通过所述调制信号获得所述参考导数信号
Figure BDA00029613858200000311
和
Figure BDA00029613858200000312
本申请另一方面提供了一种量子成像系统，所述系统包括：热光源，用于发出光；分束器，设置于所述光的光路上，用于将所述光分为第一分光和第二分光；桶探测器，设置于所述第一分光的光路上，用于对所述第一分光照射目标物体后形成的信号光进行收集，并获得第i次信号光和第i+m次信号光；面阵列探测器，设置于所述第二分光的光路上，用于收集分别与所述第i次信号光和所述第i+m次信号光对应的第二分光；以及信号处理模块，用于分别获取所述第i次信号光、所述第i+m次信号光、与所述第i次信号光对应的第二分光以及与所述第i+m次信号光对应的第二分光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA00029613858200000313
和
Figure BDA00029613858200000314
并根据所述第n阶导数
Figure BDA00029613858200000315
Figure BDA00029613858200000316
和
Figure BDA00029613858200000317
中的至少三个构建所述目标物体的量子成像模型，以获得所述目标物体的图像，其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x，y)为所述第二分光的空间坐标。
本申请又一方面提供了一种量子成像系统，所述系统包括：调制热光源，用于发出入射光；桶探测器，设置于入射光的光路上，用于对第一分光照射目标物体后形成的信号光进行收集，并获得第i次信号光和第i+m次信号光；以及信号处理模块，用于分别获取第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000041
和
Figure BDA0002961385820000042
以及与所述第n阶导数
Figure BDA0002961385820000043
和
Figure BDA0002961385820000044
对应的参考导数信号
Figure BDA0002961385820000045
和
Figure BDA0002961385820000046
并根据所述第n阶导数
Figure BDA0002961385820000047
和
Figure BDA0002961385820000048
以及所述参考导数信号
Figure BDA0002961385820000049
和
Figure BDA00029613858200000410
中的至少三个构建所述目标物体的量子成像模型，以获得所述目标物体的图像，其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x，y)为所述参考导数信号的空间坐标。
在本申请一实施方式中，将调制信号以及所述调制信号相对于时间的第n阶导数预先储存于所述信号处理模块作为所述参考导数信号，并由光学调制器将所述调制信号调制到所述调制热光源的光场分布中。
根据本申请一实施方式提供的量子成像方法及量子成像系统，仅通过采集的信号光的多阶导数信号以及与之对应的参考导数信号即可实现量子成像，通过对信号光的导数的利用，可在整体上减少测量数据的次数和数量，进而减轻数据存储的负担，缩短构建图像的时间，提高了量子成像的速度和效率。
进一步地，在本申请至少一实施方式中，可通过信号光的一次收集获取该信号光的多个不同阶导数信号，将不同阶导数信号形成的量子成像结果相融合，可快速高效地实现量子成像。
此外，根据本申请一实施方式提供的量子成像方法及量子成像系统，通过预先储存参考导数信号，可简化量子成像方法及成像系统，省略了量子成像系统的参考光路，可方便量子成像系统移动，使其更加便携实用。
另外，根据本申请至少一实施方式提供的量子成像方法及量子成像系统，通过收集第i次和i+m次信号光获取量子成像的图像数据，当m为大于1的正整数时，上述图像数据将不受相邻帧的限制，实现更加灵活的、跨越多帧的量子成像。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。其中：
图1是根据本申请一实施方式的量子成像方法的步骤示意图；
图2是根据本申请第一实施方式的量子成像系统的结构及工作方式示意图；
图3是根据本申请第二实施方式的量子成像系统的结构及工作方式示意图；
图4A是根据本申请一实施方式的目标物体的示意图；
图4B是根据本申请一实施方式的目标物体的成像结果图；以及
图5是根据本申请一实施方式的量子成像系统中信号处理模块的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区域分开来，而不表示对特征的任何限制，尤其不表示任何的先后顺序。因此，在不背离本申请的教导的情况下，本申请中讨论的第一分光也可被称作第二分光，第一阵列探测器也可称为第二阵列探测器，反之亦然。
在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
此外，在本申请中当使用“连接”或“联接”时可表示相应部件之间为直接的接触或间接的接触，除非有明确的其它限定或者能够从上下文推导出的除外。
图1是根据本申请一实施方式的量子成像方法1000的步骤示意图。如图1所示，本申请提供一种量子成像方法1000可包括：
S1，通过入射光照射至目标物体后形成信号光，并对信号光进行收集，获得第i次信号光和第i+m次信号光。
S2，确定第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000071
和
Figure BDA0002961385820000072
S3，获取分别与第n阶导数
Figure BDA0002961385820000073
和
Figure BDA0002961385820000074
对应的参考导数信号
Figure BDA0002961385820000075
和
Figure BDA0002961385820000076
S4，根据第n阶导数
Figure BDA0002961385820000077
和
Figure BDA0002961385820000078
以及参考导数信号
Figure BDA0002961385820000079
和
Figure BDA00029613858200000710
中的至少三个构建目标物体的量子成像模型，以获得目标物体的图像，其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x，y)为参考导数信号的空间坐标。
下面将结合图2至图5详细说明上述量子成像方法1000的各个具体步骤。
步骤S1
图2是根据本申请第一实施方式的量子成像系统2000的结构及工作方式示意图。图3是根据本申请第二实施方式的量子成像系统2000的结构及工作方式示意图。
如图2和图3所示，步骤S1通过入射光照射至目标物体后形成信号光，并对信号光进行收集，获得第i次信号光和第i+m次信号光可例如包括：提供热光源2100或调制热光源2700；形成照射至目标物体的入射光；对入射光照射至目标物体2200后形成的信号进行收集。
量子成像方法中照射至目标物体的入射光为能极大程度地模拟真热光的光场统计性质的赝热光。
具体地，如图2所示，在本申请第一实施方式中，热光源2100可通过太阳光、激光、白炽灯或其它光源的任意一种或组合实现，本申请对此不作限定。例如，热光源2100可通过激光器发出的激光经过诸如运动的、带有图案(Pattern)的玻璃后，由相干光变为赝热光来实现。作为一种选择，上述带图案的玻璃可替换为毛玻璃。本申请对此不作限定。
在本申请一实施方式中，可选择发射波长例如为532nm的激光光源作为热光源2100。
在本申请一实施方式中，入射光可通过例如分束器2300将热光源2100分为两束相互对应的光束获得。分束器2300可设置在热光源2100发出的光的光路上。
如图3所示，在本申请的第二实施方式中，调制热光源2700可通过调制信号调制例如LED阵列等点阵光源制备，作为一种选择，在本申请另一实施方式中，调制热光源2700也可通过诸如激光、太阳光或LED光等照射到光学调制器实现。
在本申请一实施方式中，调制信号可以是通过例如计算机生成的随机矩阵，本申请对此不作限定。
热光源2100通过例如分束器2300形成的入射光或者调制热光源2700的发出的入射光可直接照射到目标物体2200上，并经目标物体2200反射或透射后形成信号光，被例如桶探测器2400收集。在本实施方式中，目标物体2200可为各种需要成像的物体，本申请对此不作限定。
图4A是根据本申请一实施方式的目标物体的示意图。
如图4A所示，目标物体2200可为各种需要成像的物体，本申请对此不作限定。在本申请一实施方式中，目标物体2200可为一个在基底表面上形成的镂空图案，例如，该图案可为英文大写字母“T”。入射光照射到英文大写字母“T”(目标物体2200)后，经其反射或透射后可形成信号光。
桶探测器2400为具有一定面积的光电探测器。在一些实施方式中，桶探测器2400可以是大面积光电二极管、光电二极管阵列探测器、面阵CCD以及面阵CMOS中的至少一个或任意组合。进一步地，在本申请一实施方式中，桶探测器2400可选择滨松S13620阵列探测器，其像素数量为8×8。桶探测器2400可设置在热光源2100或者调制热光源2700发出的入射光的光路上。
在本申请提供的量子成像方法中，桶探测器2400需要对信号光进行收集，以获得第i次信号光和第i+m次信号光，其中i和m分别为任意的正整数。进一步地，当m为大于1的正整数时，通过上述收集信号光形成的用于量子成像的图像数据将不受相邻帧的限制，实现更加灵活的、跨越多帧量子成像。
步骤S2
图5是根据本申请一实施方式的量子成像系统中信号处理模块2600的结构示意图。
如图5所示，在本申请的一实施方式中，步骤S2确定第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000091
和
Figure BDA0002961385820000092
可通过例如信号处理模块2600获取第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000093
和
Figure BDA0002961385820000094
具体地，信号处理模块2600具有计算功能，可包括桶探测器信号接口2610、电源及时钟单元(未示出)以及数据处理单元2630。桶探测器信号接口2610和桶探测器2400电连接，用于将桶探测器2400收集的信号光传输给信号处理模块2600的数据处理单元2630。电源及时钟单元和数据处理单元2630电连接，用于为数据处理单元2630提供电源和时钟。数据处理单元2630可用于根据接收到信号光确定信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000101
和
Figure BDA0002961385820000102
进一步地，在本申请的一些实施方式中，可通过在数据处理单元2630设置例如Derivative模块、Integrator模块以及Discrete Derivative模块等任何合适的、可进行导数运算的模块，以实现根据接收到信号光确定信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000103
和
Figure BDA0002961385820000104
其中信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000105
和
Figure BDA0002961385820000106
可以是信号光相对于时间t的一阶导数、二阶导数以至于n阶导数，n为任意的正整数，本申请对此不作限定。
步骤S3
再次参考图2，在本申请的第一实施方式中，步骤S3获取分别与第n阶导数
Figure BDA0002961385820000107
和
Figure BDA0002961385820000108
对应的参考导数信号
Figure BDA0002961385820000109
和
Figure BDA00029613858200001010
可例如包括：提供热光源2100；形成与信号光相对应的参考光；通过面阵列探测器2500收集参考光；以及获取参考光相对应时间t的第n阶导数作为参考导数信号
Figure BDA00029613858200001011
和
Figure BDA00029613858200001012
具体地，在本申请一实施方式中，热光源2100可通过激光器发出的激光经过例如旋转的毛玻璃后，由相干光变为赝热光来实现。在本申请的一实施方式中，可选择一束波长例如为532nm的激光作为热光源2100。
在本申请一实施方式中，参考光可通过例如分束器2300将热光源2100分为两束相互对应的光束获得，其中一束光为用于照射目标物体200的入射光(第一分光)，另一束即为与入射光相对应的参考光(第二分光)。分束器2300可设置在热光源2100发出的光的光路上。
面阵列探测器2500设置于参考光的光路上，用于收集与信号光对应的参考光。在一些实施方式中，面阵列探测器2500可包括面阵CCD和面阵CMOS中的至少一个或任意组合。作为一种选择，在本申请的一些实施方式中，面阵列探测器2500可选择与桶探测器2400一样的探测器。进一步地，面阵列探测器2500可为滨松S13620阵列探测器，其像素数量为8×8，以适应于高速导数信号的测量。
再次参考图5，在本申请的第一实施方式中，可将信号处理模块2600获取的参考光相对于时间的第n阶导数作为参考导数信号
Figure BDA0002961385820000111
和
Figure BDA0002961385820000112
其中，(x，y)为参考导数信号的空间坐标，换言之，(x，y)为参考光(第二分光)被面阵列探测器2500采集时，面阵列探测器2500上与信号光对应的像素点的空间坐标。
具体地，信号处理模块2600具有计算功能，可包括桶探测器信号接口2610、面阵列探测器接口2620、电源及时钟单元(未示出)以及数据处理单元2630。面阵列探测器接口2620和面阵列探测器2500电连接，用于将面阵列探测器2500收集的参考光传输给信号处理模块2600的数据处理单元2630。电源及时钟单元和数据处理单元2630电连接，用于为数据处理单元2630提供电源和时钟。数据处理单元2630可用于根据接收到参考光获取参考光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000113
和
Figure BDA0002961385820000114
具体地，在本申请的一些实施方式中，可通过在数据处理单元2630设置例如Derivative元件、Integrator元件以及Discrete Derivative元件等任何合适的、可进行导数运算的元件，以实现根据接收到参考光获取参考光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000115
和
Figure BDA0002961385820000116
其中参考光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000117
和
Figure BDA0002961385820000118
可以是参考光相对于时间t的一阶导数、二阶导数以至于n阶导数，n为任意的正整数，本申请对此不作限定。
再次参考图2，在本申请的第二实施方式中，步骤S3获取分别与第n阶导数
Figure BDA0002961385820000119
和
Figure BDA00029613858200001110
对应的参考导数信号
Figure BDA00029613858200001111
和
Figure BDA00029613858200001112
可例如包括：提供调制热光源2700；以及在信号处理模块2600中预存储参考导数信号
Figure BDA0002961385820000121
和
Figure BDA0002961385820000122
具体地，在本申请一实施方式中，调制热光源2700可通过调制信号调制例如点阵光源制备，作为一种选择，调制热光源2700也可通过诸如激光、太阳光、LED光等照射到光学调制器实现。
在本申请一实施方式中，调制信号可以是通过例如计算机生成的随机矩阵，本申请对此不作限定。
在调制信号调制诸如上述光源生成调制热光源2700的同时，可通过调制信号获得参考导数信号
Figure BDA0002961385820000123
和
Figure BDA0002961385820000124
换言之，可将上述调制信号以及调制信号相对于时间的第n阶导数在例如信号光被传输到信号处理模块2600之前，预先存储于信号处理模块2600中作为参考导数信号。进一步地，参考导数信号
Figure BDA0002961385820000125
和
Figure BDA0002961385820000126
还可由调制信号调制到调制热光源2700的光场分布中，其中(x，y)为参考导数信号的空间坐标。
在本实施方式中，通过预先储存参考导数信号，一方面，可简化量子成像方法，省略了采集参考光的过程以及信号处理模块通过采集到的参考光获得其导数的过程；另外一方面，可简化量子成像系统，省略了参考光路，方便量子成像系统移动，使其更加便携实用。
步骤S4
再次参考图5，步骤S4根据第n阶导数
Figure BDA0002961385820000127
和
Figure BDA0002961385820000128
以及参考导数信号
Figure BDA0002961385820000129
和
Figure BDA00029613858200001210
中的至少三个构建目标物体的量子成像模型，以获得目标物体的图像可例如包括：建立量子成像模型的规则；构建目标物体2200的图像
Figure BDA00029613858200001211
以及信号处理模块2600基于量子成像模型通过计算获得目标物体2200的图像。
传统的量子成像方法，主要通过计算关联函数及其量子期望值来实现，需要计算出涉及到的整体数据的平均值。因而，在获取图像之前，需要把所有相关的图像数据储存起来再进行计算。这使得传统的量子成像方法面临三大问题，需要大量的测量数据，导致测量次过多；测量时间过长，数据计算量过大，导致图像重构时间过长；以及由于相关的图像数据过大，导致传统的量子成像方法需要的存储单元非常大，不适合利用芯片实现，难以实现在线实时成像，不利于量子成像走向实用化。
本申请提供的量子成像方法通过对采集的信号光的多阶导数信号以及与之对应的参考导数信号的利用可在整体上减少测量数据的次数和数量，减轻数据存储的负担，缩短构建图像的时间，提高量子成像的速度和效率。
进一步地，在本申请至少一实施方式中，可通过信号光的一次收集获取该信号光的多个不同阶导数信号，将不同阶导数信号形成的量子成像结果相融合，可快速高效地实现量子成像。
具体地，在本申请一实施方式中，可根据以下规则构建目标物体2200的图像
Figure BDA0002961385820000131
的量子成像模型：
Figure BDA0002961385820000132
其中，收集的总次数为N (1)
根据公式(1)的成像模型，通过计算获得目标物体的图像和标准的量子成像公式G(2)(x，y)＝<(S-<S>)(I(x，y)-<I(x，y)>)>的结果是相似的，<…>为量子平均，通过公式(1)的成像模型可再现目标物体的像。
因此，在该量子成像模型的规则下，可仅通过
Figure BDA0002961385820000133
和
Figure BDA0002961385820000134
四个图像数据实现量子成像，可在整体上减少测量数据的次数和数量，减轻数据存储的负担，缩短构建图像的时间，提高量子成像的速度和效率。
进一步地，为了进一步简化量子成像过程中测量数据的次数和数量，减轻数据存储的负担，缩短构建图像的时间，提高量子成像的速度和效率，量子成像模型的规则公式(1)还具有以下变体。
具体地，在本申请一实施方式中，可根据以下规则构建目标物体2200的图像
Figure BDA0002961385820000141
的量子成像模型：
Figure BDA0002961385820000142
其中，收集的总次数为N (2)
在本申请另一实施方式中，可根据以下规则构建目标物体2200的图像
Figure BDA0002961385820000143
的量子成像模型：
Figure BDA0002961385820000144
其中，收集的总次数为N (3)
在本申请又一实施方式中，可根据以下规则构建目标物体2200的图像
Figure BDA0002961385820000145
的量子成像模型：
Figure BDA0002961385820000146
其中，收集的总次数为N (4)
在本申请又一实施方式中，可根据以下规则构建目标物体2200的图像
Figure BDA0002961385820000147
的量子成像模型：
Figure BDA0002961385820000148
其中，收集的总次数为N (5)
根据公式(2)至(5)的成像模型，通过计算获得目标物体的图像和标准的量子成像公式G(2)(x，y)＝<(S-<S>)(I(x，y)-<I(x，y)>)>的结果是相似的，<…>为量子平均，通过公式(2)至(5)的成像模型可再现目标物体的像。
此外，在本申请的一实施方式中，将不同阶导数信号形成的量子成像结果相融合以快速高效地实现量子成像。
图4B是根据本申请一实施方式的目标物体的成像结果图。
如图4A和图4B所示，在本申请的一实施方式中，目标物体2200可为一个在基底表面上形成的镂空图案，例如，该图案可为英文大写字母“T”，信号处理模块2600基于量子成像模型，例如上述公式(1)至(5)中任一成像模型，通过计算可清楚的在以例如目标物体2200的水平方向x和与水平方向x垂直的竖直方向y定义的平面中呈现出英文大写字母“T”，换言之，本申请利用诸如上述成像模型的量子成像方法，目标物体的成像“T”由关联信号强度相对较大的像素构成，因此可清晰的呈现出来。
具体地，信号处理模块2600具有计算功能，可包括桶探测器信号接口2610、参考光探测器信号接口2620、电源及时钟单元(未示出)以及数据处理单元2630。数据处理单元2630可基于信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000151
和
Figure BDA0002961385820000152
以及参考光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000153
和
Figure BDA0002961385820000154
利用例如公式(1)至(5)中任一成像模型，通过计算获得目标物体2200的图像。
在本申请一实施方式中，数据处理单元2630可包括FPGA、DSP、计算机、专用ASIC等任何合适的逻辑编程元件，本申请对此不作限定。通过将本申请提供的例如公式(1)至公式(5)中任一的成像模型编辑进入上述任一种元件中，并将
Figure BDA0002961385820000155
和
Figure BDA0002961385820000156
中的至少三个图像数据输入，可获得目标物体2200的图像。
信号处理模块基于FPGA、DSP、计算机、专用ASIC等实现目标物体的图像，将量子成像向实用化方向大大推进了一步，从而可实现在线实时成像。
再次参考图2，本申请的又一方面还提供了一种量子成像系统2000。该量子成像系统2000可采用第一实施方式中的任一制备方法制备。该量子成像系统2000可包括：热光源2100、分束器2300、桶探测器2400、面阵列探测器2500以及信号处理模块2600。
具体地，热光源2100用于发出光。分束器2300设置于所述光的光路上，用于将所述光分为第一分光(入射光)和第二分光(参考光)。桶探测器2400设置于入射光的光路上，具体地，可设置于目标物体2200远离热光源2100的一侧，用于收集入射光照射目标物体2200后形成的信号光，例如第i次信号光和第i+m次信号光。面阵列探测器2500设置于参考光的光路上，用于收集与信号光对应的参考光。信号处理模块2600可用于获取第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000161
和
Figure BDA0002961385820000162
并获取与第i次信号光和第i+m次信号光对应的参考光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000163
和
Figure BDA0002961385820000164
以及根据第n阶导数
Figure BDA0002961385820000165
和
Figure BDA0002961385820000166
中的至少三个构建目标物体2200的量子成像模型，进行计算从而获得目标物体2200的图像，其中，n，i和m为任意的正整数，(x，y)为参考光的空间坐标。
再次参考图3，本申请的又一方面还提供了一种量子成像系统2000。该量子成像系统2000可采用第二实施方式中的任一制备方法制备。该量子成像系统2000可包括：调制热光源2700、桶探测器2400以及信号处理模块2600。
具体地，调制热光源2700用于发出入射光。桶探测器2400设置于入射光的光路上，用于收集入射光照射目标物体后形成的信号光，例如第i次信号光和第i+m次信号光。信号处理模块2600获取第i次信号光和第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure BDA0002961385820000167
和
Figure BDA0002961385820000168
以及与第n阶导数
Figure BDA0002961385820000169
和
Figure BDA00029613858200001610
对应的参考导数信号
Figure BDA00029613858200001611
和
Figure BDA00029613858200001612
并根据第n阶导数
Figure BDA0002961385820000171
和
Figure BDA0002961385820000172
中的至少三个构建目标物体2200的量子成像模型，进行计算从而获得目标物体2200的图像，其中，n，i和m为任意的正整数，(x，y)为参考导数信号的空间坐标。
在本申请一实施方式中，调制热光源2700可通过调制信号调制例如点阵热光源制备，作为一种选择，在本申请另一实施方式中，调制热光源2700也可通过诸如激光、太阳光、LED光等照射到光学调制器实现。
在本申请一实施方式中，在调制信号调制光源生成调制热光源2700的同时，可通过调制信号获得参考导数信号
Figure BDA0002961385820000173
和
Figure BDA0002961385820000174
换言之，可将调制信号以及调制信号相对于时间的第n阶导数预先储存于信号处理模块2600中，作为参考导数信号
Figure BDA0002961385820000175
和
Figure BDA0002961385820000176
并由光学调制器将调制信号调制到调制热光源2700的光场分布中。
在上述实施方式中，根据本申请又一方面提供的量子成像系统通过预先储存参考光相对于时间的第n阶导数，可简化量子成像系统，省略了参考光路，方便量子成像系统移动，使其更加便携实用。
由于在上文中描述量子成像方法时涉及的内容和结构可完全或部分地适用于在这里描述的量子成像系统，因此与其相关或相似的内容不再赘述。
根据本申请一实施方式提供的量子成像系统，通过利用采集到的信号光的多阶导数信号以及与之对应的参考导数信号实现量子成像，可在整体上减少测量数据的次数和数量，进而减轻数据存储的负担，缩短构建图像的时间，提高了量子成像的速度和效率。进一步地，通过信号光的一次收集可获取该信号光的多个不同阶导数信号，将不同阶导数信号形成的量子成像结果相融合，可快速高效地实现量子成像。此外，本申请提供的量子成像系统，通过收集第i次和i+m次信号光获取量子成像的图像数据，当m为大于1的正整数时，上述图像数据将不受相邻帧的限制，实现更加灵活的、跨越多帧的量子成像。
以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (11)

1.一种量子成像方法，其特征在于，所述方法包括：
通过入射光照射至目标物体后形成信号光，并对所述信号光进行收集，获得第i次信号光和第i+m次信号光；
确定所述第i次信号光和所述第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure FDA0002961385810000011
和
Figure FDA0002961385810000012
获取分别与所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000013
和
Figure FDA0002961385810000014
对应的参考导数信号
Figure FDA0002961385810000015
和
Figure FDA0002961385810000016
以及
根据所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000017
和
Figure FDA0002961385810000018
以及所述参考导数信号
Figure FDA0002961385810000019
和
Figure FDA00029613858100000110
中的至少三个构建所述目标物体的量子成像模型，以获得所述目标物体的图像，
其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x,y)为所述参考导数信号的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure FDA00029613858100000111
的量子成像模型：
Figure FDA00029613858100000112
其中，收集的总次数为N。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure FDA00029613858100000113
的量子成像模型：
Figure FDA00029613858100000114
其中，收集的总次数为N。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure FDA0002961385810000021
的量子成像模型：
Figure FDA0002961385810000022
其中，收集的总次数为N。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure FDA0002961385810000023
的量子成像模型：
Figure FDA0002961385810000024
其中，收集的总次数为N。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下规则构建所述目标物体的图像
Figure FDA0002961385810000025
的量子成像模型：
Figure FDA0002961385810000026
其中，收集的总次数为N。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取分别与所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000027
和
Figure FDA0002961385810000028
对应的参考导数信号
Figure FDA0002961385810000029
和
Figure FDA00029613858100000210
的方法包括：
将光源发出的光分为所述入射光和参考光；
对所述参考光进行收集，获得第i次参考光和第i+m次参考光；以及
获取所述第i次参考光和所述第i+m次参考光相对于时间t的第n阶导数作为所述参考导数信号
Figure FDA00029613858100000211
和
Figure FDA00029613858100000212
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取分别与所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000031
和
Figure FDA0002961385810000032
对应的参考导数信号
Figure FDA0002961385810000033
和
Figure FDA0002961385810000034
的方法包括：
在调制信号调制光源发出的光形成所述入射光的过程中，通过所述调制信号获得所述参考导数信号
Figure FDA0002961385810000035
和
Figure FDA0002961385810000036
9.一种量子成像系统，其特征在于，所述系统包括：
热光源，用于发出光；
分束器，设置于所述光的光路上，用于将所述光分为第一分光和第二分光；
桶探测器，设置于所述第一分光的光路上，用于对所述第一分光照射目标物体后形成的信号光进行收集，并获得第i次信号光和第i+m次信号光；
面阵列探测器，设置于所述第二分光的光路上，用于收集分别与所述第i次信号光和所述第i+m次信号光对应的第二分光；以及
信号处理模块，用于分别获取所述第i次信号光、所述第i+m次信号光、与所述第i次信号光对应的第二分光以及与所述第i+m次信号光对应的第二分光相对于时间t的第n阶导数
Figure FDA0002961385810000037
和
Figure FDA0002961385810000038
并根据所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000039
和
Figure FDA00029613858100000310
中的至少三个构建所述目标物体的量子成像模型，以获得所述目标物体的图像，
其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x,y)为所述第二分光的空间坐标。
10.一种量子成像系统，其特征在于，所述系统包括：
调制热光源，用于发出入射光；
桶探测器，设置于所述入射光的光路上，用于对所述第一分光照射目标物体后形成的信号光进行收集，并获得第i次信号光和第i+m次信号光；以及
信号处理模块，用于分别获取所述第i次信号光和所述第i+m次信号光相对于时间t的第n阶导数
Figure FDA0002961385810000041
和
Figure FDA0002961385810000042
以及与所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000043
和
Figure FDA0002961385810000044
对应的参考导数信号
Figure FDA0002961385810000045
和
Figure FDA0002961385810000046
并根据所述第n阶导数
Figure FDA0002961385810000047
和
Figure FDA0002961385810000048
以及所述参考导数信号
Figure FDA0002961385810000049
和
Figure FDA00029613858100000410
中的至少三个构建所述目标物体的量子成像模型，以获得所述目标物体的图像，
其中，n，i和m分别为任意的正整数，(x,y)为所述参考导数信号的空间坐标。
11.根据权利要求10所述的量子成像系统，其特征在于，
将调制信号以及所述调制信号相对于时间的第n阶导数预先储存于所述信号处理模块作为所述参考导数信号，并由光学调制器将所述调制信号调制到所述调制热光源的光场分布中。
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