[发明专利]基于时分复用的光子计数关联成像装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于光学成像领域，涉及单脉冲光子计数，具体的说是一种基于时分复用光子计数的关联成像装置与方法。

背景技术

关联成像是一种利用热光场辐照目标，由一个无空间分辨能力的单像素探测器获取目标返回信号的涨落信息，通过涨落信息与探测热光场之间的二阶关联运算获取目标图像信息的非局域成像方法。目前为止，关联成像中的单像素探测器主要采用工作于线性模式下的光电转换器件，比如光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)、线性模式下的雪崩光电二级管(Avalanche Photodiode,APD)等。该类器件输出信号的幅值与输入光强成线性关系，虽然可以对输入光能进行高灵敏度探测(一般在百光子数量级)，并且能够准确测量输入光的强度涨落，但是在探测距离较远且发射能量受限的情况下，当每次测量到达探测器上的目标返回信号弱到几个光子时，工作在线性模式下的单像素探测器将难以实现对微弱光子信号的准确响应。此时利用盖革模式下的APD或者超导状态的纳米线探测器可对单光子量级的光信号做出响应并形成巨大的电流输出，可用于微弱光探测模式下的关联成像目标探测。然而，此类器件的信号输出形式一般为表征有无光子的矩形脉冲信号，高电平输出代表探测到光子(一般用数字信号1表示)，低电平输出代表没有探测到光子(一般用数字信号0表示)。对于关联成像而言，仅有0/1两种状态的光子涨落动态范围太小，同时此类器件的量子效率一般不超过70％，存在较大的探测错误率，将严重影响到关联成像的图像信息获取效率。

发明内容

针对上述微弱光关联成像存在的探测问题，本发明提出一种基于时分复用的光子计数关联成像方法。该方法利用时分复用光子计数器可以实现微弱光的单脉冲光子计数，从而实现对微弱光的强涨落进行准确测量，利用测得的光子数与参考光路记录下的光强分布信息进行二阶关联运算获取目标的实空间图像。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：

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，沿该热光源发出的光束方向设有分光棱镜，该分光棱镜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和具有高空间分辨能力的面探测器，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、成像目标、接收望远镜和时分复用光子计数器；所述的热光源、面探测器和时分复用光子计数器分别与计算机相连，并在计算机的控制下同步工作；所述的热光源、参考透镜、面探测器、发射透镜和成像目标之间的位置满足下列高斯成像关系：

其中：f_c为参考透镜的焦距；

f_w为发射透镜的焦距；

z₁为热光源到参考透镜之间的距离；

z₂为参考透镜到面探测器的感光面之间的距离；

z₃为热光源到发射透镜之间的距离；

z₄为参考透镜到成像目标之间的距离。

所述时分复用光子计数器的特征在于包括一根输入光纤，与该输入光纤相连的n路光纤分束器，该n路光纤分束器的输出端通过n路延时光纤与n路光纤合束器的输入端相连，该n路光纤合束器的输出端通过输出光纤与单光子探测器的输入端相连，该单光子探测器的输出端与数字计数器相连。所述的n路延时光纤由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代表相邻两根的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的采样频率v决定，具体表达式为：

其中：c代表光在延时光纤中的传播速度，由于不同延时光纤之间的长度差异，每两根长度相邻的延时光纤之间的光传播时间相差该时间差等于单光子探测器的采样周期所以当单光子探测器探测完第i根延时光纤的信号后，进行下一次探测时，第i+1根延时光纤的信号刚好到达。

本发明装置的工作过程如下：

①热光源在计算机的控制下发出脉冲光，发射光被分光棱镜分为两路，其中反射光路中的参考透镜将热光源面处的光场分布成像到面探测器的感光面上，面探测器在计算机的控制下记录本次发射光场的光强分布信息I_i(x)；