[发明专利]一种互补测量的单光子计数成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及极弱光探测的技术领域，特别涉及一种互补测量的单光子计数成像系统及方法。

背景技术

在生物检测、天文观测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、遥感成像、医疗成像、监控等新兴高科技领域，不仅需要探测极弱光，还要对特定波段的成分分布进行分析，仅仅是可见光的探测已经很难满足需求，科学家们更多时候需要知道近红外光波段的特征信息，而现有仪器很难做到极弱光对象的高精度分辨，更难实现对极弱光对象进行可见光成分和近红外光成分的同时检测分析，亟待一种全新的成像系统来满足日益增长的科研需求。

本发明为解决上述问题而应运而生，同时也是基于前人工作的改进与创新。在本领域，本研究所已有一份相关专利：《一种单光子计数成像系统及其方法》（申请号或专利号：201110103559.3，申请人或专利权人：中国科学院空间科学与应用研究中心），其特征在于仅采用空间光调制器的一臂反射光路进行光子收集，而且仅能对可见光进行探测，算法较为简陋，重建质量差，运算量巨大，原理上尚存在一定技术上的缺陷，本发明提出一种互补测量的单光子计数成像系统及方法，采用双臂互补测量，且可见光与近红外光同时测量，改进了原理和算法，以解决上述一系列的问题。

单光子属于极弱光，被认为是光不可分割的最小能量单位，是可以探测的极限。单光子探测技术已广泛应用于生物自发光、医疗诊断、非破坏性物质分析、天文观测、光谱测量、量子光学等领域，并在其中扮演着重要角色。

而光子计数成像就是一种极弱光探测技术，通过记录成像位置的光子计数，计数等效于光强信息，于是得到光强的空间分布情况，最后累计出一幅图像，一般采用弱光面元探测器，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探测器在对极弱光进行探测时需要曝光一定时间（即积分时间），平均到单位像素上的光通量极小，加上暗计数的影响，信噪比较差，极难准确推算落在该像元上的光强值，具有灵敏度的问题。其中ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD空间分辨率较差，而EMCCD空间分辨率稍好，存在的共同问题都是弱光下很难对仪器噪声进行控制或线性输出；而APDs可以工作在盖革模式，但尚处在研究阶段，而且高精度的APD阵列很难制造和流片，林肯实验室对外公布的APD阵列也仅有64×256像素，对中国禁运，且目前的APD阵列波长响应范围十分有限，仅在中可视波段达到量子效率峰值，由于每个像素都极小，光通量必须平均分配在整个阵列上，那么散粒噪声的影响将变得十分显著。

因而，弱光面元探测器的灵敏度、信噪比、噪声控制、面阵规模、波长响应范围直接限制获取高质量极弱光图像的能力。为此采用压缩传感理论和互补测量技术来弥补原理上的缺陷，用单光子点探测器获取面上的总光子计数，其光通量显著高于弱光面元探测器单位像素上的光通量，极大提高了灵敏度、信噪比、空间分辨能力和图像重建质量，还节省了维度。

所述压缩传感（Compressive Sensing，简称CS）理论是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一个全新数学理论，实现以随机采样的方式、更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）来完美地恢复信号，且具有更高鲁棒性。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏变换框架Ψ，使得x经Ψ变换所得向量是稀疏的，然后根据观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ，求解最后由反演出x。

所述空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件、液晶光阀、毛玻璃等。其中，数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD），是世界上最精密的光开关。DMD的核心是由成千上万个安装在铰链上的微反射镜组成的微镜阵列（主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152），每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm）并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。