CN114894306A - 一种上转换阵列相机及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于量子成像技术领域，尤其涉及一种上转换阵列相机及其成像方法。方法包括：光子稳定输出后，控制多通道波导的温度以设定的扫描步进在设定范围内扫描；获取在扫描范围内，每个温度下各通道的单光子探测器计数率；计算每个温度下各通道的单光子探测器的计数率之间的稳定性，稳定性最好时所对应的温度为多通道波导的最佳工作温度；所述稳定性为统计出的各通道的单光子探测器的计数率之间的差异，差异越小，稳定性越好；控制多通道波导在最佳工作温度下进行工作。本发明提高了各通道之间的一致性，进而提高了成像的均匀性。

Description

一种上转换阵列相机及其成像方法

技术领域

本发明适用于量子成像技术领域，尤其涉及一种上转换阵列相机及其成像方法。

背景技术

近红外波段量子成像是近年来科学及应用研究的重要方向，属于量子精密测量的重要分支，有着广泛的应用前景。在量子成像领域中，通常采用单光子阵列探测器作为探测单元。其中阵列探测器是由一维或者二维的阵列单光子探测像素组成。由于单光子阵列探测器具有单光子级能量灵敏度和皮秒级时间分辨率，这使得阵列探测器可以用于极微弱光目标成像以及具有极高的距离分辨率。

当前，国际上通用的近红外单像素单光子探测器有三类：超导探测器、铟镓砷雪崩二极管探测器和上转换探测器。其中，上转换探测器是通过非线性光学的和频过程，利用周期极化铌酸锂波导，实现准相位匹配，将近红外波段信号光上转换成为可见光，再利用硅雪崩二极管单光子探测器探测。例如授权公告号为CN111044161B的中国发明专利文件，该文件公开了一种基于频率上转换的面阵列单光子相机，通过引入光纤阵列和多通道周期极化铌酸锂波导模块结构，能够实现室温下的自由运行模式，同时在各个像素点提供彼此独立地、高效率、低噪声的单光子探测，提高面阵列相机中的单光子成像探测距离和成像分辨率以及成像速率。

然而，现有的上转换阵列相机经常出现成像不均匀的问题，导致成像效果差，因此需要提出一种上转换阵列相机的成像方法的技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种上转换阵列相机及其成像方法，以解决现有的成像方式成像不均匀，导致成像效果差的问题。

第一方面，提供一种上转换阵列相机的成像方法，包括以下步骤：

1）光子稳定输出后，控制多通道波导的温度以设定的扫描步进在设定范围内扫描；多通道波导中各通道的输入光功率相同；

2）获取在扫描范围内，每个温度下各通道的单光子探测器计数率；

3）计算每个温度下各通道的单光子探测器的计数率之间的稳定性，稳定性最好时所对应的温度为多通道波导的最佳工作温度；所述稳定性为统计出的各通道的单光子探测器的计数率之间的差异，差异越小，稳定性越好；

4）控制多通道波导在最佳工作温度下进行工作。

第二方面，提供一种上转换阵列相机，包括相机本体以及多通道波导温度控制系统，多通道波导温度控制系统包括控制器、温度调节装置和若干单光子探测器，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的上转换阵列相机的成像方法。

本发明的上转换阵列相机及其成像方法与现有技术相比存在的有益效果是：本发明根据所采集温度扫描范围内每个通道的单光子探测器计数率，进而确定出稳定性最好时对应的温度，将该温度作为多通道波导的最佳工作温度，提高了各通道之间的一致性，进而提高了成像的均匀性。

进一步地，上述上转换阵列相机及其成像方法中，为了准确的确定多通道波导的最佳工作温度，若所述步骤3）中存在多个最佳工作温度，计算每个最佳工作温度下各通道的单光子探测器计数率的和值，将和值最大对应的最佳工作温度作为最终的最佳工作温度。

进一步地，上述上转换阵列相机及其成像方法中，为了准确的确定多通道波导的最佳工作温度，若存在多个和值最大对应的最佳工作温度，则将多个最佳工作温度与室温作比较，与室温差异最小的最佳工作温度作为最终的最佳工作温度。

进一步地，上述上转换阵列相机及其成像方法中，为了提高成像质量，在步骤3）之前，将存在单光子探测器计数率不满足设定指标的温度剔除，所述设定指标根据成像要求帧频确定。

进一步地，上述上转换阵列相机及其成像方法中，为了提高成像质量，在步骤3）之前，计算每个温度下各通道的单光子探测器计数率的和值，得到最大和值和最小和值，根据最大和值和最小和值计算出平均和值，将和值小于平均和值的温度剔除。

进一步地，上述上转换阵列相机及其成像方法中，为了提高各通道之间的一致性，所述稳定性的计算过程为：将每个温度下各通道的单光子探测器计数率取平均，得到每个温度下的平均计数率，对于某一个温度，将该温度下的每个通道的单光子探测器计数率与该温度下的平均计数率做差，得到该温度下每个通道的计数率差值，将该温度下每个通道的计数率差值取绝对值后相加，相加的和等于稳定性；相加的和越小，稳定性越好。

进一步地，上述上转换阵列相机及其成像方法中，为了更加精确的确定多通道波导的最佳工作温度，所述设定的扫描步进范围为0.05℃/s～0.1℃/s。

进一步地，上述上转换阵列相机中，为了更加准确的调节多通道波导的温度，温度调节装置为TEC驱动模块。

进一步地，上述上转换阵列相机中，为了保证计数率采集的准确性，单光子探测器为硅探测器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明上转换阵列相机中多通道波导的温度控制系统的系统框图；

图2是本发明2通道PPLN计数率与温度的关系曲线示意图；

图3是本发明上转换阵列相机的成像方法的流程图；

图4是本发明验证例的计数率曲线。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

应当理解，当在本发明说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本发明说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

应理解，以下实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

在一实施例中，本发明提出一种上转换阵列相机，上转换阵列相机包括相机本体以及多通道波导温度控制系统。其中，以如图1所示的以8通道PPLN波导温度控制系统为例对多通道波导温度控制系统的结构进行描述。

8通道PPLN波导温度控制系统包括8通道PPLN波导（即图1中的多通道PPLN波导；8个单光子探测器，分别为：单光子探测器1、单光子探测器2、……、单光子探测器8；FPGA（以下称为控制器）、上位机以及TEC驱动模块。其中，每个单光子探测器对应8通道PPLN波导中的一个通道，各单光子探测器输出连接FPGA的输入端，FPGA的输出端控制连接TEC驱动模块，FPGA与上位机通信连接，接收上位机下发的指令，进而控制TEC驱动模块进行温度调节。

各单光子探测器采集对应通道的单光子探测器计数率（简称计数率），本实施例中，单光子探测器采用常温下自由运行的硅探测器，且具有主动淬灭以及快速恢复功能电路。TEC驱动模块作为温度调节装置，用于调节多通道波导的温度。上位机作为人机交互界面，主要是实现系统的控制以及读取系统状态。当然，作为其他实施方式，单光子探测器以及温度调节装置的具体实现本发明不做限制，能够实现相应的功能即可。

控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上转换阵列相机的成像方法。

上转换阵列相机的成像方法的主要构思在于：基于成像不均匀的问题进行研究后发现是由于各通道的波导一致性差导致的，那么需要提高各通道波导之间的一致性，分析得知，波导的效率受温度的影响较大，如图2所示，对于一个2通道的波导，不同通道（图2中实线和虚线代表不同的通道）的波导在同一温度下单光子探测器计数率是不一样的，这也是各通道的波导一致性差的表现所在，因此，本发明通过调节多通道波导的温度，找出多通道波导的最佳工作温度，使得各通道的单光子探测器计数率差异最小，提高了一致性，进而提高了成像的均匀性。

具体地，上转换阵列相机的成像方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤S101，光子稳定输出后，控制多通道波导的温度以设定的扫描步长在设定范围内扫描。

本步骤中，多通道波导中每个通道的入射光强是稳定相等的，也即每个通道的输入光功率相同；例如：使用稳频激光器，光功率是10mW，经过衰减器衰减后得到光子数为百万个光子的信标光，对于8通道波导，通过一分八分束器产生八路相同的信号光进入每个波导。

上位机控制控制器进行校准程序，上位机温度的设定扫描范围，比如25-45℃（每个多通道波导的最佳温度范围参数是已知的），并且为了提高最佳工作温度的准确性，控制器以步进0.05℃/s～0.1℃/s的速度自动扫描，具体的扫描的步进可以根据需要进行设定。

步骤S102，在每个温度下，各单光子探测器采集得到单光子探测器计数率，并将所采集的数据发送至控制器。

步骤S103，控制器将存在单光子探测器计数率不满足设定指标的温度剔除。

本步骤中，设定指标根据成像要求帧频确定，例如：成像要求帧频大于100Kfps，100Kfps对应的单光子探测器计数率最小是3.2Mcps/s。

当然，作为其他实施方式，在保证每个单光子探测器计数率满足设定指标的情况下，本步骤也可以省去，本发明对此不作限制。

步骤S104，计算每个温度下各通道的单光子探测器计数率的和值，在每个温度对应的和值下找出最大和值和最小和值，根据最大和值和最小和值计算出平均和值，将平均和值作为门限值，将和值小于门限值的温度剔除。

本步骤中，丢弃低于该门限的温度部分，是为了删除最高以及最低温度下波导性能均较差（计数率都很低，计数率波动反而较小）的情况，保证所选温度下波导的整体透过率处于较高水平。当然，作为其他实施方式，在扫描范围本身在波导的整体透过率较高的范围时，本步骤也可以省去，本发明对此不作限制。

步骤S105，在挑选出的剩余的温度中，计算每个温度下各通道的单光子探测器的计数率之间的稳定性。

本步骤中，稳定性为统计出的各通道的单光子探测器的计数率之间的差异，差异越小，稳定性越好。

具体稳定性（稳定性也可以叫做离散参数）的计算过程为：将每个温度下各通道的单光子探测器计数率取平均，得到每个温度下的平均计数率，对于某一个温度，将该温度下的每个通道的单光子探测器计数率与该温度下的平均计数率做差，得到该温度下每个通道的计数率差值，将该温度下每个通道的计数率差值取绝对值后相加，相加的和等于稳定性；相加的和越小，稳定性越好。

当然，作为其他实施方式，也可以在得到计数率差值后，取计数率差值的平方后相加，本发明对此不做限制。

可以看出，稳定性为统计出的各通道的单光子探测器的计数率之间的差异，这种计算差异的方式现有技术有很多，本发明并不做具体的限制。

步骤S106，将稳定性最好对应的温度作为多通道波导的最佳工作温度。

本步骤中，稳定性最好（离散参数最小）也即步骤S105中相加的和最小对应的温度为多通道波导的最佳工作温度。

当然在很多实际控制过程中，因为通道数较多，会出现相加的和最小对应的温度有多个，进而出现多个最佳工作温度，那么此时，计算每个最佳工作温度下、各通道的单光子探测器计数率的和值，将和值最大对应的最佳工作温度作为最终的最佳工作温度。

如果在进行上述处理后，存在多个和值最大对应的最佳工作温度，则将多个最佳工作温度与室温作比较，与室温差异最小的最佳工作温度作为最终的最佳工作温度。因为实验中发现多通道波导的最佳温度点一般比室温要高，越靠近室温，能量需求越小，对TEC驱动的要求越低，可以节能。

步骤S107，控制多通道波导工作在最佳工作温度。

以下以一个具体的实施例对本发明的控制方法进行说明。

多通道波导为5通道波导，首先，上位机设定温度扫描范围是39.5-40.05℃，扫描步进设定为0.05℃，FPGA接收每个温度下所有通道的单光子探测器计数率，并记录，比如39.5℃时，通道1到通道5分别记录为N11~N51；依次完成所有温度设定范围的扫描。

接着，删除不满足设定指标（比如，要求计数率大于10万）的温度点，此处39.5℃不满足要求，删除该温度点。

然后，将每个温度点（例如39.55℃、39.6℃、39.65℃等）所有通道的单光子探测器计数率求和，得到N2~Nc的计数率总和与温度的对应关系。挑选出上述计数率总和中的最大和值和最小和值，取平均和值作为门限值，删除低于该平均数的温度点，其中39.55℃、39.6℃、40℃、40.05℃对应的和值低于平均和值，留下的部分为计数率相对较高的温度点。

最后，剩余的温度点均为计数率较高的（表中39.65℃、39.7℃、39.75℃、39.8℃、39.85℃、39.9℃、39.95℃），将这些温度点内各个通道的计数率取平均值，然后将该平均值与对应温度点上各个通道的计数率相减，取绝对值后相加，得到与计数率离散情况相关的参数。

记录表详见表一

表一 实施例温度记录表

将该记录表用附图表示，如图4所示，比较各离散参数的大小，选用最小值作为最优温度，选择39.8℃作为最优波导工作温度点控制5通道波导工作，可以得到均匀的成像。

该成像方法应用于阵列相机的初始化阶段，用于波导温度校准，最终实现了多通道波导保持较高计数率情况下信号光转化率具有较高一致性的目的，提高了成像的均匀性，进而提高成像质量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）光子稳定输出后，控制多通道波导的温度以设定的扫描步进在设定范围内扫描；多通道波导中各通道的输入光功率相同；

2）获取在扫描范围内，每个温度下各通道的单光子探测器计数率；

3）计算每个温度下各通道的单光子探测器的计数率之间的稳定性，稳定性最好时所对应的温度为多通道波导的最佳工作温度；所述稳定性为统计出的各通道的单光子探测器的计数率之间的差异，差异越小，稳定性越好；

4）控制多通道波导在最佳工作温度下进行工作。

2.根据权利要求1所述的上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，若所述步骤3）中存在多个最佳工作温度，计算每个最佳工作温度下各通道的单光子探测器计数率的和值，将和值最大对应的最佳工作温度作为最终的最佳工作温度。

3.根据权利要求2所述的上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，若存在多个和值最大对应的最佳工作温度，则将多个最佳工作温度与室温作比较，与室温差异最小的最佳工作温度作为最终的最佳工作温度。

4.根据权利要求1所述的上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，在步骤3）之前，将存在单光子探测器计数率不满足设定指标的温度剔除，所述设定指标根据成像要求帧频确定。

5.根据权利要求1所述的上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，在步骤3）之前，计算每个温度下各通道的单光子探测器计数率的和值，得到最大和值和最小和值，根据最大和值和最小和值计算出平均和值，将和值小于平均和值的温度剔除。

6.根据权利要求1所述的上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，所述稳定性的计算过程为：将每个温度下各通道的单光子探测器计数率取平均，得到每个温度下的平均计数率，对于某一个温度，将该温度下的每个通道的单光子探测器计数率与该温度下的平均计数率做差，得到该温度下每个通道的计数率差值，将该温度下每个通道的计数率差值取绝对值后相加，相加的和等于稳定性；相加的和越小，稳定性越好。

7.根据权利要求1所述的上转换阵列相机的成像方法，其特征在于，所述设定的扫描步进范围为0.05℃/s～0.1℃/s。

8.一种上转换阵列相机，包括相机本体以及多通道波导温度控制系统，多通道波导温度控制系统包括控制器、温度调节装置和若干单光子探测器，其特征在于，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的上转换阵列相机的成像方法。

9.根据权利要求8所述的上转换阵列相机，其特征在于，温度调节装置为TEC驱动模块。

10.根据权利要求8所述的上转换阵列相机，其特征在于，单光子探测器为硅探测器。

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