本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，涉及單脈沖光子計(jì)數(shù)，具體的說(shuō)是一種基于時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)的關(guān)聯(lián)成像裝置與方法。

背景技術(shù)：

關(guān)聯(lián)成像是一種利用熱光場(chǎng)輻照目標(biāo)，由一個(gè)無(wú)空間分辨能力的單像素探測(cè)器獲取目標(biāo)返回信號(hào)的漲落信息，通過(guò)漲落信息與探測(cè)熱光場(chǎng)之間的二階關(guān)聯(lián)運(yùn)算獲取目標(biāo)圖像信息的非局域成像方法。目前為止，關(guān)聯(lián)成像中的單像素探測(cè)器主要采用工作于線性模式下的光電轉(zhuǎn)換器件，比如光電倍增管(photomultipliertube,pmt)、線性模式下的雪崩光電二級(jí)管(avalanchephotodiode,apd)等。該類器件輸出信號(hào)的幅值與輸入光強(qiáng)成線性關(guān)系，雖然可以對(duì)輸入光能進(jìn)行高靈敏度探測(cè)(一般在百光子數(shù)量級(jí))，并且能夠準(zhǔn)確測(cè)量輸入光的強(qiáng)度漲落，但是在探測(cè)距離較遠(yuǎn)且發(fā)射能量受限的情況下，當(dāng)每次測(cè)量到達(dá)探測(cè)器上的目標(biāo)返回信號(hào)弱到幾個(gè)光子時(shí)，工作在線性模式下的單像素探測(cè)器將難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光子信號(hào)的準(zhǔn)確響應(yīng)。此時(shí)利用蓋革模式下的apd或者超導(dǎo)狀態(tài)的納米線探測(cè)器可對(duì)單光子量級(jí)的光信號(hào)做出響應(yīng)并形成巨大的電流輸出，可用于微弱光探測(cè)模式下的關(guān)聯(lián)成像目標(biāo)探測(cè)。然而，此類器件的信號(hào)輸出形式一般為表征有無(wú)光子的矩形脈沖信號(hào)，高電平輸出代表探測(cè)到光子(一般用數(shù)字信號(hào)1表示)，低電平輸出代表沒(méi)有探測(cè)到光子(一般用數(shù)字信號(hào)0表示)。對(duì)于關(guān)聯(lián)成像而言，僅有0/1兩種狀態(tài)的光子漲落動(dòng)態(tài)范圍太小，同時(shí)此類器件的量子效率一般不超過(guò)70％，存在較大的探測(cè)錯(cuò)誤率，將嚴(yán)重影響到關(guān)聯(lián)成像的圖像信息獲取效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述微弱光關(guān)聯(lián)成像存在的探測(cè)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于時(shí)分復(fù)用的光子計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)成像方法。該方法利用時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)微弱光的單脈沖光子計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光的強(qiáng)漲落進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，利用測(cè)得的光子數(shù)與參考光路記錄下的光強(qiáng)分布信息進(jìn)行二階關(guān)聯(lián)運(yùn)算獲取目標(biāo)的實(shí)空間圖像。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于時(shí)分復(fù)用的光子計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)成像裝置，其特征在于包括一熱光源，沿該熱光源發(fā)出的光束方向設(shè)有分光棱鏡，該分光棱鏡將入射光分為反射光束和透射光束，反射光束方向作為參考光路，在該參考光路中沿光路依次放置參考透鏡和具有高空間分辨能力的面探測(cè)器，透射光束方向作為物光路，在該物光路中沿光路依次放置發(fā)射透鏡、成像目標(biāo)、接收望遠(yuǎn)鏡和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器；所述的熱光源、面探測(cè)器和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器分別與計(jì)算機(jī)相連，并在計(jì)算機(jī)的控制下同步工作；所述的熱光源、參考透鏡、面探測(cè)器、發(fā)射透鏡和成像目標(biāo)之間的位置滿足下列高斯成像關(guān)系：

其中：fc為參考透鏡的焦距；

fw為發(fā)射透鏡的焦距；

z1為熱光源到參考透鏡之間的距離；

z2為參考透鏡到面探測(cè)器的感光面之間的距離；

z3為熱光源到發(fā)射透鏡之間的距離；

z4為參考透鏡到成像目標(biāo)之間的距離。

所述時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器的特征在于包括一根輸入光纖，與該輸入光纖相連的n路光纖分束器，該n路光纖分束器的輸出端通過(guò)n路延時(shí)光纖與n路光纖合束器的輸入端相連，該n路光纖合束器的輸出端通過(guò)輸出光纖與單光子探測(cè)器的輸入端相連，該單光子探測(cè)器的輸出端與數(shù)字計(jì)數(shù)器相連。所述的n路延時(shí)光纖由n根型號(hào)相同、長(zhǎng)度由短到長(zhǎng)依次增加的延時(shí)光纖組成，所述n根延時(shí)光纖的長(zhǎng)度滿足下列關(guān)系：

li＝l1+(i-1)δl,i＝1…n

其中：l1代表第一根延時(shí)光纖的長(zhǎng)度，li代表第i根延時(shí)光纖的長(zhǎng)度，δl代表相鄰兩根的延時(shí)光纖之間的長(zhǎng)度差，為一恒定量，其數(shù)值由單光子探測(cè)器的采樣頻率v決定，具體表達(dá)式為：

其中：c代表光在延時(shí)光纖中的傳播速度，由于不同延時(shí)光纖之間的長(zhǎng)度差異，每?jī)筛L(zhǎng)度相鄰的延時(shí)光纖之間的光傳播時(shí)間相差該時(shí)間差等于單光子探測(cè)器的采樣周期所以當(dāng)單光子探測(cè)器探測(cè)完第i根延時(shí)光纖的信號(hào)后，進(jìn)行下一次探測(cè)時(shí)，第i+1根延時(shí)光纖的信號(hào)剛好到達(dá)。

本發(fā)明裝置的工作過(guò)程如下：

①熱光源在計(jì)算機(jī)的控制下發(fā)出脈沖光，發(fā)射光被分光棱鏡分為兩路，其中反射光路中的參考透鏡將熱光源面處的光場(chǎng)分布成像到面探測(cè)器的感光面上，面探測(cè)器在計(jì)算機(jī)的控制下記錄本次發(fā)射光場(chǎng)的光強(qiáng)分布信息ii(x)；

②透射光路中發(fā)射透鏡將熱光源面處的光場(chǎng)分布成像到目標(biāo)上，光場(chǎng)經(jīng)目標(biāo)反射后被接收望遠(yuǎn)鏡收集接收并輸入時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器，時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器在計(jì)算機(jī)的控制下探測(cè)并記錄下本次采樣的返回光子數(shù)ci；

③所述的熱光源、面探測(cè)器和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器在計(jì)算機(jī)的控制下按照步驟①和步驟②中的工作方式同步進(jìn)行多次采樣，依次分別記錄下每次采樣的光場(chǎng)分布ii(x)和返回光子數(shù)ci，其中i＝1,2…k為采樣次數(shù)；

④利用計(jì)算機(jī)對(duì)面探測(cè)器記錄的光強(qiáng)分布信息ii(x)和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器記錄的返回光子數(shù)ci進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，得到目標(biāo)的實(shí)空間像。

所述基于n路延時(shí)光纖和一個(gè)單光子探測(cè)器的時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)方案的工作過(guò)程如下：

步驟1)一次采樣過(guò)程中，單光子探測(cè)器在同步信號(hào)控制下連續(xù)執(zhí)行n次探測(cè)，第i次探測(cè)對(duì)應(yīng)第i根延時(shí)光纖的輸入，如果有光子進(jìn)入單光子探測(cè)器，則單光子探測(cè)器輸出一個(gè)高電平信號(hào)給數(shù)字計(jì)數(shù)器并記為1；如果沒(méi)有光子進(jìn)入單光子探測(cè)器，則單光子探測(cè)器輸出一個(gè)低電平信號(hào)給數(shù)字計(jì)數(shù)器并記為0。

步驟2)一次采樣完成后，計(jì)數(shù)器將n次探測(cè)的結(jié)果相加得到一個(gè)0-n之間的數(shù)字，將該數(shù)字作為本次采樣探測(cè)到的單脈沖光子數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的技術(shù)效果：

1.利用n路延時(shí)光纖和一個(gè)單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了微弱光探測(cè)時(shí)的單脈沖光子計(jì)數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)了光子計(jì)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)漲落探測(cè)。

2.利用對(duì)返回光子數(shù)目的探測(cè)可實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)模式下的關(guān)聯(lián)成像，在弱光探測(cè)模式下獲取目標(biāo)的圖像信息。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于時(shí)分復(fù)用的光子計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1是熱光源，2是分光棱鏡，3是參考透鏡，4是面探測(cè)器，5是發(fā)射透鏡，6是成像目標(biāo)，7是接收望遠(yuǎn)鏡，8是時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器，9是計(jì)算機(jī)。

圖2是本發(fā)明基于n路延時(shí)光纖和一個(gè)單光子探測(cè)器的時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)方案結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：10是輸入光纖，11是n路光纖分束器，12是n路延時(shí)光纖，13是n路光纖合束器，14是輸出光纖，15是單光子探測(cè)器，16是數(shù)字計(jì)數(shù)器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明基于時(shí)分復(fù)用的光子計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)成像方法示意圖。一種基于時(shí)分復(fù)用的光子計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)成像裝置，包括一熱光源1，沿該熱光源1發(fā)出的光束方向設(shè)有分光棱鏡2，該分光棱鏡2將入射光分為反射光束和透射光束，反射光束方向作為參考光路，在該參考光路中沿光路依次放置參考透鏡3和具有高空間分辨能力的面探測(cè)器4，透射光束方向作為物光路，在該物光路中沿光路依次放置發(fā)射透鏡5、成像目標(biāo)6、接收望遠(yuǎn)鏡7和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器8；所述的熱光源1、面探測(cè)器4和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器8分別與計(jì)算機(jī)9相連，并在計(jì)算機(jī)9的控制下同步工作；所述的熱光源1、參考透鏡3、面探測(cè)器4、發(fā)射透鏡5和成像目標(biāo)6之間的位置滿足下列高斯成像關(guān)系：

其中：fc為參考透鏡3的焦距；

fw為發(fā)射透鏡5的焦距；

z1為熱光源1到參考透鏡3之間的距離；

z2為參考透鏡3到面探測(cè)器4的感光面之間的距離；

z3為熱光源1到發(fā)射透鏡5之間的距離；

z4為參考透鏡3到成像目標(biāo)6之間的距離。

圖2是本發(fā)明基于n路延時(shí)光纖和一個(gè)單光子探測(cè)器的時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)方案結(jié)構(gòu)示意圖。所述的時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器8包括一根輸入光纖10，與該輸入光纖10相連的n路光纖分束器11，該n路光纖分束器11的輸出端通過(guò)n路延時(shí)光纖12與n路光纖合束器13的輸入端相連，該n路光纖合束器13的輸出端通過(guò)輸出光纖14與單光子探測(cè)器15的輸入端相連，該單光子探測(cè)器15的輸出端與數(shù)字計(jì)數(shù)器16相連。所述n路延時(shí)光纖12由n根型號(hào)相同、長(zhǎng)度由短到長(zhǎng)依次增加的延時(shí)光纖組成，所述n根延時(shí)光纖的長(zhǎng)度滿足下列關(guān)系：

li＝l1+(i-1)δl,i＝1…n

其中：l1代表第一根延時(shí)光纖的長(zhǎng)度，li代表第i根延時(shí)光纖的長(zhǎng)度，δl代表長(zhǎng)度相鄰的兩根延時(shí)光纖之間的長(zhǎng)度差，為一恒定量，其數(shù)值由單光子探測(cè)器15的采樣頻率v決定，具體表達(dá)式為：

其中：c代表光在延時(shí)光纖中的傳播速度。所述時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)方案的工作過(guò)程如下：

①一次采樣過(guò)程中，單光子探測(cè)器在同步信號(hào)控制下連續(xù)執(zhí)行n次探測(cè)，第i次探測(cè)對(duì)應(yīng)第i根延時(shí)光纖的輸入，如果有光子進(jìn)入單光子探測(cè)器，則單光子探測(cè)器輸出一個(gè)高電平信號(hào)給數(shù)字計(jì)數(shù)器并記為1；如果沒(méi)有光子進(jìn)入單光子探測(cè)器，則單光子探測(cè)器輸出一個(gè)低電平信號(hào)給數(shù)字計(jì)數(shù)器并記為0。

②一次采樣完成后，計(jì)數(shù)器將n次探測(cè)的結(jié)果相加得到一個(gè)0-n之間的數(shù)字，將該數(shù)字作為本次采樣探測(cè)到的單脈沖光子數(shù)。

所述的熱光源1、面探測(cè)器4和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器8分別與計(jì)算機(jī)9相連，并在計(jì)算機(jī)9的控制下同步工作：

①熱光源在計(jì)算機(jī)的控制下發(fā)出脈沖光，發(fā)射光被分光棱鏡分為兩路，其中反射光路中的參考透鏡將熱光源面處的光場(chǎng)分布成像到面探測(cè)器的感光面上，面探測(cè)器在計(jì)算機(jī)的控制下記錄本次發(fā)射光場(chǎng)的光強(qiáng)分布信息ii(x)；

②透射光路中發(fā)射透鏡將熱光源面處的光場(chǎng)分布成像到目標(biāo)上，光場(chǎng)經(jīng)目標(biāo)反射后被接收望遠(yuǎn)鏡收集接收并輸入時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器，時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器在計(jì)算機(jī)的控制下探測(cè)并記錄下本次采樣的返回光子數(shù)ci；

③所述的熱光源、面探測(cè)器和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器在計(jì)算機(jī)的控制下按照步驟①和步驟②中的工作方式同步進(jìn)行多次采樣，依次分別記錄下每次采樣的光場(chǎng)分布ii(x)和返回光子數(shù)ci，其中i＝1,2…k為采樣次數(shù)；

④利用計(jì)算機(jī)對(duì)面探測(cè)器記錄的光強(qiáng)分布信息ii(x)和時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器記錄的返回光子數(shù)ci進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，得到目標(biāo)的實(shí)空間像。

所述的計(jì)算機(jī)9進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算過(guò)程為：

將每次采樣中時(shí)分復(fù)用光子計(jì)數(shù)器8記錄下的返回光子數(shù)ci與面探測(cè)器4記錄下的x處的光強(qiáng)值ii(x)，其中i＝1,2…k為采樣次數(shù)，按以下公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算(j.chengands.han,phys.rev.lett.92,093903,2004)：

δg^(2,2)(x)＝<ii(x)ci>-<ii(x)><ci>

利用上述關(guān)聯(lián)運(yùn)算公式對(duì)返回光子數(shù)ci和面探測(cè)器4上不同位置x處的光強(qiáng)值ii(x)逐一進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，得到的二維關(guān)聯(lián)數(shù)值分布記為目標(biāo)在實(shí)空間的圖像。