摘要：单光子成像技术涉及半导体工艺、光电器件以及集成电路设计等多个方面,基于单光子雪崩二极管的成像技术具有高动态二维灰度成像、高精度三维成像和荧光寿命成像能力,在安防监控、自动驾驶和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。伴随着半导体工艺技术的飞速发展,单光子成像技术有望成为应用广泛的下一代视觉感知技术。本文对基于单光子雪崩二极管的成像技术进行了系统的介绍,包括单光子雪崩二极管器件、单光子成像涉及的关键电路以及二维灰度和时间分辨单光子图像传感器的最新研究进展。

摘要：单光子成像技术通过对每个光子携带的时空信息进行探测,实现对物体图像的重构。基于超导纳米线的单光子探测器具有高效率、低时间抖动、宽响应波段的优势,非常适合单光子成像场景的需求。超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的单光子成像器件,它利用超导纳米线特有的高动态电感构造低速微波传输线,通过对输出电脉冲进行时间逻辑分析,同步读取光子的到达时刻和空间位置。本文将介绍这种成像器件的设计原理、几何结构和读出方式。同时,介绍基于此成像器件在强背景噪声下的单光子成像实验,证明了通过高性能器件和重构算法的联合优化所实现的成像系统性能增强。

摘要：光子计数激光雷达技术具有极高的探测灵敏度与时间分辨率,是极端条件下高精度目标信息获取的重要手段.由于该技术通过探测单光子级的回波能量实现对目标信息的三维重建,因此极易受噪声干扰,导致成像质量严重降低.基于高速电子门控的距离选通技术虽然可以有效抑制噪声,但存在参数设计依靠经验、目标检测区间窄等问题.本文提出一种在宽目标检测区间条件下的目标信息提取及三维重建方法,首先通过对三维回波信息的获取机理及其概率模型进行分析,获取目标信息分布范围并通过算法门控提取有效信息;再采用高效的图像重建算法进一步提升三维重建的质量,从而具有比基于纯硬件的去噪方法更强的抑噪能力.实验结果显示,在平均像素光子数仅为3.020,且信号噪声比仅为0.106的极端条件下,本文提出的目标信息提取方法可将信号噪声比提升19.330倍;再配合高效的图像重建算法,距离图像的重建信噪比相比于传统的互相关算法提升了33.520 d B,大幅提升了强噪声环境下高精度目标信息获取的能力.

摘要：光学成像因其分辨率高,信息量丰富,具有其他探测和感知技术不可替代的地位,是人们获取信息最重要的技术手段之一。光子是光学成像系统中的信息载体。光学图像的高质量重构,依赖于对信号光子的高效耦合和对光信息的精准解耦。然而,在遥感或生物成像等重要应用场景中,由于作用距离远或辐照功率低,到达探测面的物体信号光子数少,信噪比低,对光学系统设计、信号探测和图像恢复都带来了极大困难,严重限制了光学成像性能。如何在极弱光条件下获得高质量图像,是光电成像系统研究的基础性难题,也是推动光学成像不断向更大视场、更远作用距离、更高信息通量发展亟待克服的关键技术。近年来,在光场调控和量子探测技术支撑下,并基于光场的高阶经典/量子关联发展起来的关联成像,由于探测灵敏度高、抗干扰能力强,为发展极弱光条件下的光学成像技术带来了新的机遇。文中将简要回顾关联成像的原理机制,在此基础上系统介绍极弱光条件下关联成像方案和方法。并尝试从光子动力学层面解释这些方法的物理本质,讨论这些方法的能力极限,比较这些方法所适用的场景。

摘要：图像传感器是人类获取视觉信息的重要途径,在边缘感知和计算中有着重要的应用。在边缘端感存算一体化的发展趋势下,传统CMOS图像传感器由于大量的实数型数据、冗余的像素数据以及较低的时间分辨率,阻碍了边缘视觉系统的进一步发展。借鉴人眼视觉原理,人们发现了生物成像系统的电信号脉冲特性、高效的信息预处理机制以及丰富的信息获取种类,并从中获得了改进视觉成像的设计灵感。从上世纪80年代起,研究者们试图通过模仿人类视觉构建新型脉冲视觉传感器,包括高动态脉冲调制成像、高动态高灵敏度边缘检测动态视觉成像和二维三维融合的单光子成像。在未来的趋势中,脉冲传感器将有助于构建低延迟、多功能、低功耗的感存算一体化边缘视觉系统。

摘要：远紫外光子计数成像探测技术通过探测微弱的单光子信息,记录每个单光子位置,在一定时间累积之后达到总体成像的目的.单光子的计数率限制着信息的获取,在分析影响计数率因素的基础上,需要设计前端模拟电路对探测器信号进行放大和整形,具体实现采用A225芯片作为前置放大器,并设计相应的整形电路.仿真和实验结果表明,电路设计合理,计数率可达到200 kHz.

摘要：极紫外成像仪通过对于30.4nm的He+谐振散射分布进行成像,从而对地球等离子体层的冷等离子体分布进行研究。极紫外成像仪采用单光子成像技术,通过记录到达成像仪像平面的每个光子的位置,并经过时间积累达到总体成像的目的。信号处理部分是极紫外成像仪的核心部分,担负着对来自传感器探头的信号进行采集、分析、处理的重任。其基于DSP系统设计,以快速实时为设计要求,并配合模块化的软件程序完成成像工作。通过实验室仿真实验测试,极紫外成像仪信号处理系统工作稳定,符合系统设计要求。

摘要：地球等离子体层中He+对太阳辐射中的30.4 nm波长的极紫外(EUV,extreme ultraviolet)辐射形成共振散射。由于等离子层中的He+的30.4 nm辐射近似满足光学薄假设,因而其强度反映了He+的柱密度。因此,对地球等离子体30.4 nm极紫外辐射成像可以直接对地球等离子层进行探测,是研究地球空间磁层空间暴的触发机制和物理模型的重要手段,是进行精确磁暴预测、地球空间环境研究、空间天气预报、自然灾害预测等研究的重要途径。极紫外成像仪(EUVI)通过对30.4 nm的He+共振散射分布进行成像,实现对于地球等离子体层的冷等离子体分布进行研究的目的。首先对极紫外成像仪的工作原理以及成像机理进行了简要描述,对其成像过程进行了介绍。之后根据已研制完成的极紫外成像仪原理样机实验室仿真实验情况,对波形发生器仿真实验与实验室光源-探测器成像仿真实验两种实验方式的原理及实验结果进行了分析研究。根据实验结果,进一步验证了极紫外成像仪信号处理系统原理设计的可行性与正确性。同时,根据实验结果中出现的问题,也为对成像仪系统的进一步优化提供方向。