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Moku:Pro实现光子计数的单像素相机应用案例

在激光雷达(LiDAR)等光学成像技术中,我们总希望携带信息的光信号足够强,这样就能以最高的保真度从接收到的光学信号中检测和提取信息。 但这种理想情况并不总能实现, 例如,在生物成像应用中,生物材料可能对强烈的光照很敏感;使用激光雷达进行长距离测距时,反射回来的信号强度会被降低。 因此,在实际应用中精确、快速地执行弱光成像的能力至关重要。
中国科学院大学(UCAS)李明飞研究员所在团队在最新的研究成果中,采用一种特殊设计的编码盘来散射单光子,从而提高弱光成像过程的成本效益和速度。在实验中,研究人员使用了Moku:Pro时间间隔与频率分析仪(TFA)来实现单光子探测,这是由Liquid Instruments研发的基于FPGA的多功能电子测控平台,提供一整套包括锁相放大器、激光稳频等15种可重构的测试测量仪器功能,用于快速、灵活的信号处理、分析与控制。 利用Moku时间间隔和频率分析仪作为光子计数模块,用户可以快速解码空间调制光中包含的关键数据。

研究背景与挑战

 

为了测量弱光信号,研究人员开发了单光子探测器(SPD)。 这些设备具有出色的灵敏度和时间分辨率,能够以皮秒级的分辨率探测单光子的能量脉冲。 利用单光子探测器的优势,可以实现一种新的成像技术,即单像素成像(SPI)。SPI不是使用SPD阵列来模拟传统成像系统,而是使用单个探测器,从有时间戳的光子流中重建图像。
尽管取得了这些进展,但如何有效地对光进行调制,以便利用SPI技术对图像进行恢复,仍然是一个问题。 数字微镜设备(DMD)由数百万个微米级镜子阵列组成,可以快速开关,是空间光调制的常用设备。 不过,这些设备的调制速率较慢,限制了物体成像的速度。
中国科学院大学的团队采用了一个旋转编码盘作为调制源来快速调制光束。 与基于DMD的系统相比,这种方法的实施成本效益更高。 虽然这项技术前景广阔,但该方法在编码掩膜图案与光子探测器之间的同步上面临着挑战。不过,借助于Moku时间间隔和频率分析仪精准事件计数和灵活信号处理能力,李老师研究小组有效地解决了同步问题,最终设计并制造了一个成像速度达每秒28帧的单像素相机原型。

解决方案

中国科学院大学的研究小组开发了图1 所示的实验系统,以验证旋转编码盘以及同步方案的有效性。 他们使用氦氖激光照射物体,透射光经过旋转编码盘之后被单光子探测器接收。 该圆盘由两部分组成,以恒定的速度旋转。 圆盘的编码部分对接收的光子进行空间散射调制,并被单光子探测器接收。为了实现探测器接收与圆盘编码模式之间数据的同步,研究人员将另一束由光电二极管(LED)生成的激光输入圆盘外侧,并通过圆盘外侧的凹口进行光学斩波,产生的脉冲光信号可以为成像的单光子探测器提供时钟参考信号。之后,将光子探测建模为非均匀泊松过程(NHPP)进行成像解码。通过这些方案,研究人员有效地解决了探测与编码的同步问题,并对速度波动进行了补偿,并且该实验装置可以实现在每个像素不到一个光子的照明下捕捉图像,调制速率约为 100 kHz,成像速度为每秒 28 帧。

Moku:Pro实现光子计数的单像素相机应用案例

图1:实验装置 (a) 成像光路构建,使用Moku:Pro作为事件计数器 (b) 旋转编码掩膜板。红色方块:成像掩膜区域,绿色箭头:同步LED凹口 (c) 掩膜的放大视图。

在实验中,研究小组使用到了两种不同的SPD器件进行单光子探测。 第一种是传统的雪崩二极管单光子探测器(SPAD),工作波长为400~1060纳米。 此外,他们用到了一种超导纳米线单光子探测器(SNSPD),它可以在更宽的波长范围进行探测,对于工作在1550 nm的光子也能实现极高的探测效率。 然而,这两种探测器的工作逻辑不同:SPAD在检测到事件时输出一个 TTL 逻辑脉冲,而 SNSPD 则产生一个模拟电压。 由于传统的时间相关单光子计数(TCSPC)模块与超导单光子探测器的输出不兼容,这种差异使得研究小组很难找到可用的时间计数器。

“Moku解决了传统设备输出不兼容问题”

为了解决这个问题,研究小组使用了Moku:Pro并部署其时间间隔和频率分析仪对单光子探测器检测到的事件进行计数和时间标记。 该论文的第一作者赵子晴表示Moku在实验中起到了关键作用:“可重构的Moku平台具有多项优势,可以极大地助力他们的研究。 首先Moku的TFA功能是能够改变事件的阈值电压,使他们能够使用单个计数器收集数据,而不受频率范围的限制。”
他提到:“我们还尝试了另一个TCSPC,但由于超导单光子探测器的振幅变化,我们无法使用它。”
“Moku:Pro的触发延时功能对信号的微小变化补偿”
另外,作者还提到Moku的触发延迟功能非常有用,在以前使用类似装置进行的实验时,由于物理环境不稳定性会造成磁盘旋转周期的微小变化,这限制了成像的性能。而Moku的这一功能可以帮助他们对这种微小变化进行补偿,这种对旋转速度的校正是至关重要的。

实验结果

在实验的测量过程中,研究小组使用Moku:Pro的时间间隔和频率分析仪同时在两个输入通道上记录事件:其中一个输入通道记录来自LED激光的同步脉冲信号,另一个通道记录用于成像的单光子事件。 在记录模式下,Moku时间间隔和频率分析仪为每个通道记录到的每个事件分配对应时间戳,在这一步,用户可以自由选择记录开始的时间以及时长。 完成数据采集后,研究人员使用Moku 文件转换器将原始时间戳数据转换为 CSV 格式,并导入主机进行后处理。研究小组还使用了Python脚本对数据进行处理,并表示经Moku格式化的简洁数据大大优化了他们的分析工作。

“Moku数据存储格式大大减轻了数据分析处理工作量”‍

文章作者提到:“以前,我不得不手写C++代码进行数据分析。Moku打包和组织数据的方式使效率大大提高。”
经过对数据的分析,该研究小组表明,他们能够在极低的亮度下(每个像素每转约半个光子)执行光子计数并实现单光子成像。 图2是他们展示的一组实验结果。 利用他们的方法对旋转速度进行校正,可以在上万个旋转周期下对图像曝光并整合数据,从而提高图像的对比度-噪声比值(CNR)。 如果不采用这种校正方法,由于转速波动,CNR会随着旋转周期的平均次数的增加而变差。

Moku:Pro实现光子计数的单像素相机应用案例

图2:不同旋转周期数量下单像素成像的重建图像。CNR随旋转周期数量的增加而提高。

该研究小组的实验证明了旋转编码掩模在弱光条件下成像应用的潜力。相比于使用DMD进行单像素成像,旋转编码掩模具有多种优势,包括成本更低、功耗更小、填充因子更高,因此更有利于在生物医学成像、激光雷达和其他领域的大规模应用。

目前,该研究小组的这项成果已发表在《光学快报》(Optics Letters)上[1]。研究小组的成员还表示他们正在设计开展更多的单光子探测实验,仍将Moku:Pro的时间间隔和频率分析仪作为他们实现时间相关单光子计数的首选设备。

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参考文献

[1] Zi-Qing Zhao, Yue-Xi Zhang, Jia-Qi Song, Ming-Fei Li, and Ling-An Wu, "Photon-counting single-pixel camera based on a fast spinning coding disk," Opt. Lett. 50, 169-172 (2025).