基于锁相光子计数测量的单像素空间频率域成像系统

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现不同波长的解调分离,同时降低了系统成本。引入压缩感知图像恢复理论,有效缩短了多次空间编码引起的单像素成像时间。实验结果表明,所提SFDI系统只需要进行像素总数20%左右的编码,即可准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像。

智能光子计数单像素显微成像系统

设计并验证了一套智能光子计数单像素显微成像系统。物品经显微物镜成像在数字微镜(DMD)上,加载一系列掩模到DMD上对像进行调制,调制后的光强由无空间分辨的单光子探测器进行探测,然后利用深度学习网络重建图像。利用Zynq平台的可编程逻辑端精确的多路时序控制性能实现DMD偏转和光子计数,同时利用平台内嵌的Arm处理器实时部署深度学习重建网络,实现DMD偏转控制、光子计数和网络重建功能的集成软硬件协同工作,具有集成度高、轻便和成本低的优势。实验结果表明:Zynq上实现DFC-Net的图像重建质量在低采样率下优于经典的TVAL3重建算法;增加测量次数可获得高质量的重建图像,但应确保每次测量的时间足以抑制泊松散粒噪声。

专题征稿单光子与单像素成像《激光与光电子学进展》

光学成像是人们获取信息的最为重要的技术手段之一。从宇宙的瑰丽场景到细胞内部的蛋白相互作用与构象变化,光学成像技术的进步不断加深着我们对自然、生命的理解。随着科学技术的发展进入信息和量子时代,在现代信息理论、信号存储与处理技术、光场的量子探测和非经典量子光源技术等的支撑下,古老的光学成像又一次焕发出勃勃生机,成像系统在信息获取方法、能力、功能、性能指标等方面不断取得突破。

光子计数计算鬼成像

为实现远距离、高灵敏的三维成像,开展了光子计数计算鬼成像研究。通过振幅型空间光调制器,实现了基于离散余弦变换矩阵和Walsh变换矩阵作为测量基的结构光照明,采用单光子探测技术实现了700m距离、高灵敏的三维成像。对比研究了快速傅里叶变换算法和迭代优化算法的重建结果。研究表明,相同采样率时,离散余弦测量基作为观测矩阵时重建图像的误差比Walsh观测矩阵小,但Walsh观测矩阵重建图像的分辨率更高。计算鬼成像分辨率理论上不受接收镜头術射极限限制,但实际受接收镜头集光效率、单光子探测器计数率、积分时间等影响,本文搭建的实验系统实现了成像分辨率达到接收镜头瑞利衍射极限分辨率2倍的成像结果。光子计数计算鬼成像无需转台或扫描镜等移动部件,具有弱光条件下凝视远距离目标并进行三维成像的能力。研究方法对基于光子计数的单像素成像技术和计算鬼成像技术研究具有一定参考价值。

具备单光子灵敏度的单像素显微成像系统研究

单像素成像技术的出现为光学成像带来了新的突破,特别是在克服传统光学显微成像技术的局限性方面展现出独特优势。本文针对传统显微成像在弱光条件下难以获得高质量图像的问题,开展了基于单像素成像技术的显微成像系统研究。该研究采用模块化的光机系统设计,结合Alternating Projection、Differential Ghost Imaging、Gradient Descent等6种先进算法,评估了单像素显微成像系统的性能。实验结果表明,在0.9M CPS光子计数率的极低光照条件下,该系统可实现25%采样率的单像素显微成像,具有39.37μm的分辨率,视场范围可在22.09 mm^(2)至231.04 mm^(2)之间调节。与显微成像领域中常用的增强光源和荧光标记等手段相比,本文采用单光子探测技术和压缩感知图像处理算法,能够在极低光照条件下实现高质量显微成像,不会对样品造成光漂白或光毒性,有效避免了对样品的光损伤。本文的单像素显微成像方法为极弱光环境下的显微成像提供了一种创新且高效的解决方案。

量子成像技术前沿进展与展望

量子成像技术作为一种物像分离、抗干扰能力强的成像技术,自1995年首次在实验上实现以来,现已得到深入的探索和广泛的应用。回顾了量子成像技术的起源及主要发展历程,综述了近8年纠缠光源和经典光源量子成像技术的主要进展,介绍了由光场调制技术而衍生出的单像素成像、单光子扫描成像及非视域成像等量子成像发展趋势,概述了非光子粒子的量子成像这一量子成像新方案,并对量子成像技术的发展前景进行了展望。

压缩感知理论(CS)在弱信号量子测量与蛋白质结构计算中的应用

压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论自2006年被提出至今已15年有余,在许多领域如单像素相机、CT扫描成像、雷达等经典系统中获得了成功应用与充分的发展,但在量子和生物系统中还有很大的发展空间.本文首先简单回顾了CS的基本知识及其应用的发展历史,然后重点介绍了北京理工大学量子技术研究中心多年来将CS(以及它的新发展理论)应用于量子精密测量和生物系统上取得的研究成果,具体包括极微弱光信号下的测量与成像、利用CS理论进行多体量子态层析密度矩阵的计算以及根据由CS理论发展的矩阵填充理论进行蛋白质结构计算等方面,说明CS理论不论是在弱信号探测还是量子计算甚至在生物大分子研究方面都具有极大的应用前景和优势,最后对CS理论的应用和发展进行总结和展望.