单光子成像近年原文.pdf

基于量子检测的量子应用系统

单光子成像

普通成像与测距技术

普通照相机

胶片感光

CCD成像（光电效应）

ToF(TimeofFlight)测距技术

通过飞行时间得到深度信息

还可结合传统拍摄，得到三维分布

有效成像每个像素需要采集上千个光子

100万像素，需要十亿个光子

在暗光、低反射率、长距离等情况受限

基于单光子探测的探测系统

基本器件：单光子探测器

雪崩光电二极管(SPAD,APD)

首光子检测：盖革模式单光子探测器，具有高时间分辨率

超导纳米线单光子探测器

探测系统应用

实现厘米精度的1千米距离深度信息成像(接收光子量级为10)[1]

实现单光子成像(通过时间相关与空间相关)[2]

两种成像方式：光源扫描发射，逐点接收；光源直接照射，移

动物体进行成像。

[1]A.McCarthyetal.,Kilometer-range,highresolutiondepthimagingvia1560nmwavelengthsingle-photon

detection,Opt.Express21,8904–8915(2013).

[2]AhmedKirmanietal.,First-PhotonImaging,Science343,58-61(2014)

单光子探测的概率统计模型

光子到达探测器的时间分布是

泊松分布

光子到达数量随时间的分布为

Gamma分布

延时代表了深度信息，幅度代

表了反射率信息

背景噪声同分布（环境光等），

信号光不同分布，可利用时间

相关特性消除背景噪声影响

(TCSPC)

[1]AhmedKirmanietal.,First-PhotonImaging,Science343,58-61(2014)

基于单光子探测的深度成像系统

基本方法：ToF飞行时间检测

系统主要说明

采用了1560nm光，该波段大

气吸收较多，背景噪声低

单光子探测器：超导纳米线

单光子探测器(SNSPD)

时间相关单光子计数模块

(TCSPC)

采用光栅扫描，对每一个像

素进行成像

[1]A.McCarthyetal.,Kilometer-range,highresolutiondepthimagingvia1560nmwavelengthsingle-photon

detection,Opt.Express21,8904–8915(2013).

基于单光子探测的深度成像系统

发射出探测脉冲时，给

TCSPC模块发送开始信号

SNSPD模块检测到单光子脉

冲时，发送停止信号

每一个像素得到对应的光子

到达时间分布直方图，计算

机进行处理，通过互相关算

法，找到信号的峰值，从而

得到深度信息。

[1]A.McCarthyetal.,Kilometer-range,highresolutiondepthimagingvia1560nmwavelengthsingle-photon

detection,Opt.Express21,8904–8915(2013).

基于单光子探测的深度成像系统

成像效果与

照明时间有

关，低照明

时间下成像