[发明专利]基于时分复用的光子计数关联成像装置与方法

权利要求书

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：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{f_c}=\frac{1}{z_1}+\frac{1}{z_2}\\ \frac{1}{f_w}=\frac{1}{z_3}+\frac{1}{z_4}\end{array}\right.$

其中：f_c为参考透镜(3)的焦距；

f_w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：

L_i＝L₁+(i-1)ΔL,i＝1…n

其中：L₁代表第一根延时光纤的长度，L_i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：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{c}{v}$

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I_i(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C_i；

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I_i(x)和返回光子数C_i，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I_i(x)和时分复用光子计数器(8)记录的返回光子数C_i进行关联运算，得到目标的实空间像。