一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统

1.本发明属于量子传感和成像技术领域，具体为一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统。


背景技术：

2.利用量子技术，人们已经开发了多种量子成像方案，比如鬼成像、无相互作用测量(ifm)和未探测光子的量子成像(qiup)等。这些量子成像方案有助于提升成像能力，拓展成像的应用范围。鬼成像方案依赖于光子对的空间关联特性，需要进行双光子符合测量。受鬼成像启发，人们又提出计算鬼成像方案。计算鬼成像和单像素成像基于相同原理，都不需要双光子关联，而是借助于单光子与可编程图案之间的关联。单像素成像可利用空间光调制器和单像素探测器获取物体的空间信息，不需要使用任何具有空间分辨力的探测器，比如ccd相机等。
3.未探测光子的量子成像(qiup)是基于诱导相干概念开发的量子成像方案。诱导相干干涉仪由两个纠缠源构成，可产生一对信号光子和闲置光子。通过将两个纠缠源的闲置光子路径重叠在一起，我们可建立路径全同性，从而移除光子对的源信息。物体被放置于闲置光子路径中。利用诱导相干，闲置光子携带的物体相位和透射率信息被转移到信号光子的量子干涉中。与鬼成像不同，未探测光子的量子成像(qiup)不需要对照射物体的光子进行探测，也不需要进行任何符合测量。探测光子可以选择与照明光子完全不一样的波长，前者侧重于方便探测，而后者侧重于实际应用，这是未探测光子的量子成像(qiup)的一个独特优势。诱导相干概念已经应用到生物显微成像、中红外成像、太赫兹传感、红外光谱学、全息成像、光学相干层析以及傅里叶变换红外光谱学等诸多领域。
4.虽然鬼成像、单像素成像和未探测光子的量子成像(qiup)都具有各自的独特优势，但是它们无法避免光子与物体发生直接相互作用，这尤其不利于对生物组织等脆弱样品的测量与成像。无相互作用测量(ifm)可以利用单光子的波粒二象性，通过观察干涉图案的变化感知物体的存在。在无相互作用测量(ifm)中，即使光子与物体没有发生直接相互作用，我们也可以实现物体探测。无相互作用测量(ifm)有多种不同实现方案，比如elitzur-vaidman方案和量子zeno方案。另外，无相互作用测量(ifm)还可以与鬼成像相结合，实现无相互作用鬼成像。然而，由于缺乏长波段单光子探测器，因此无相互作用测量(ifm)无法应用于红外以及太赫兹波段。红外和太赫兹波段成像在很多领域具有非常重要的应用，比如生物成像、安全检测以及材料研究等。目前，发展新型量子成像技术应用于材料研究以及生命科学是一个非常重要的研究课题。


技术实现要素：

5.发明目的：为解决无相互作用测量(ifm)无法应用于红外以及太赫兹波段的问题，本发明提出了一种基于无相互作用测量、诱导相干和单像素成像的未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统和方法。
6.技术方案：一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，包括激光器、第一二向色镜、第三二向色镜、诱导相干模块和单像素成像模块；
7.所述激光器，用于发射泵浦激光；
8.所述第一二向色镜，位于激光器和诱导相干模块之间，用于使泵浦激光射向诱导相干模块，以及分离激光和自发参量下转换过程产生的光子对；
9.所述第三二向色镜，位于第一二向色镜和单像素成像模块之间，用于透射信号光子到单像素成像模块，并将闲置光子反射过滤掉；
10.所述诱导相干模块包括非线性晶体、第二二向色镜、第一反射镜和ifm装置；其中，
11.所述非线性晶体，用于在正向或反向自发参量下转换过程产生信号光子和闲置光子；
12.所述第二二向色镜，位于非线性晶体之后，用于分离正向自发参量下转换过程产生的闲置光子和信号光子，并将闲置光子反射进入ifm装置；
13.所述第一反射镜，位于第二二向色镜透射光路末端，用于反射激光和信号光子回到非线性晶体；
14.所述ifm装置包括分束器、第二反射镜和第三反射镜；分束器位于第二二向色镜反射光路之中，用于将闲置光子分束为反射和透射两路；第二反射镜位于分束器反射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器；第三反射镜位于分束器透射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器；由第二反射镜和分束器构成路径2；由第三反射镜和分束器构成路径3；仅当物体被放置于路径3中时，正向自发参量下转换过程产生的闲置光子沿路径2经分束器和第二二向色镜回到非线性晶体，在诱导相干模块上建立部分路径全同性；
15.所述单像素成像模块，用于获取成像物体的空间信息，包括空间光调制器和无空间分辨力的单光子探测器；其中，所述空间光调制器用于显示采样图案，所述无空间分辨力的单光子探测器用于探测与采样图案关联的单光子数；基于与采样图案关联的单光子数，来判断物体是否存在于ifm装置中以及基于与采样图案关联的单光子数，重构得到物体的像素化图像。
16.进一步的，还包括第一位移台、第二位移台和第三位移台；用于调节信号光子、闲置光子以及泵浦激光之间的相对光学延迟；
17.所述第一位移台安装在第一反射镜上，用于调节信号光子的相位。
18.所述第二位移台安装在第二反射镜上，用于调节分束器反射光路中闲置光子的相位。
19.所述第三位移台安装在第三反射镜上，用于调节分束器透射光路中闲置光子的相位。
20.进一步的，所述采样图案为hadamard矩阵构造的图案。
21.进一步的，所述的基于与采样图案关联的单光子数，重构得到物体的像素化图像，具体包括：
22.采用所有采样图案的关联单光子数，构建图像的hadamard谱；
23.通过对hadamard谱进行hadamard反变换，重构得到物体的像素化图像。
24.进一步的，所述单像素成像模块替换为增强型电荷耦合器件，用于进行未探测光子的无相互作用量子成像。
25.本发明还公开了一种未探测光子的无相互作用量子传感方法，包括以下步骤：
26.构建未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统；
27.将ifm装置固定在干涉相消点；
28.获取信号光子单计数的直方图，基于信号光子单计数的直方图，判断得到ifm装置中是否存在物体，若信号光子单计数超过阈值的计数区间，则ifm装置中存在物体；若信号光子单计数低于阈值的计数区间，则ifm装置中不存在物体。
29.本发明还公开了一种未探测光子的无相互作用量子成像方法，包括以下步骤：
30.步骤1：构建一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统；
31.步骤2：将ifm装置固定在相位点(θ＝π,φ＝0)，记录此相位设置下的信号光子图像；
32.步骤3：将ifm装置的相对相位φ调至π，信号光子的相位θ调至0，记录此相位设置下的信号光子图像；
33.步骤4：将步骤2得到的信号光子图像与步骤3得到的信号光子图像相减，得到最终的成像结果。
34.本发明还公开了一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像方法，包括以下步骤：
35.步骤1：构建一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统；
36.步骤2：在(θ＝0,φ＝π)、(θ＝π,φ＝π)、(θ＝π,φ＝0)和(θ＝0,φ＝0)四个相位设置下，记录与每个采样图案相关联的单光子计数，记为：c(θ＝π,φ＝0)、c(θ＝0,φ＝0)、c(θ＝0,φ＝π)和c(θ＝π,φ＝π)；
37.步骤3：基于c(θ＝π,φ＝0)、c(θ＝0,φ＝0)、c(θ＝0,φ＝π)和c(θ＝π,φ＝π)，计算得到每个采样图案的关联光子数cm：
38.cm＝c(θ＝0,φ＝π)-c(θ＝π,φ＝π)+c(θ＝π,φ＝0)-c(θ＝0,φ＝0)
ꢀꢀꢀ
(11)
39.步骤4：将每个采样图案与其光联光子数相乘，得到一组加权图案；
40.步骤5：将所有加权图案相加，得到最终的成像结果
41.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
42.(1)本发明利用非线性晶体的宽频相匹配条件，可以灵活选择关联光子对的波长；本发明利用低噪声、高效率的单光子探测器，在缺乏高效ccd相机以及单光子探测器的波段，比如远红外(far-ir)以及太赫兹(thz)波段，实现无相互作用、单像素量子成像；
43.(2)本发明的成像系统在很多领域具有潜在应用价值，比如脆弱材料的研究以及生命科学等；
44.(3)本发明的成像系统可以避免照明光子与物体发生直接相互作用，减少对探测物体的损害与干扰。
附图说明
45.图1为未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统的概念图与原理图；
46.图2为未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统的装置图；
47.图3为未探测光子的无相互作用量子传感系统的实验结果；
48.图4为量子成像的设计图；
49.图5为未探测光子的无相互作用量子成像系统的成像结果；
50.图6为未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统的hadamard谱测量结果；其中，图6中的(a)～图6中的(c)、图6中的(d)～图6中的(e)分别为256和1024个hadamard采样图案的hadamard谱；
51.图7为未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统的图像重建结果；其中，图7中的(a)和图7中的(b)分别为256和1024个hadamard采样图案的重建图像。
具体实施方式
52.现结合附图进一步阐述本发明的技术方案。
53.本发明公开了一种未探测光子的无相互作用、单像素量子成像系统，此为一种新型量子成像方案，可以突破典型成像系统的约束。如图1中的(a)所示，一个典型的成像系统需要三个要素，第一要素为物理相互作用，即光源辐射的光子照射到物体上并与物体发生相互作用；第二要素为直接探测，即散射光子需要被直接探测，用以推测物体的存在；第三要素为具有空间分辨能力的探测器，比如ccd，用以获取物体的空间信息。
54.如图1中的(b)所示，本发明的成像系统完全突破了典型成像的三个要素，也就是说不需要光子与物体发生直接相互作用，以及不需要对散射光子的直接探测和ccd相机。在缺乏高效ccd相机以及单光子探测器的波段，比如远红外(far-ir)以及太赫兹(thz)波段，本发明利用可见光单光子探测器进行量子成像，同时可以避免散射光子与物体发生直接相互作用，减少对探测物体的损害与干扰。
55.如图1中的(c)所示，本发明的成像系统结合了诱导相干、ifm干涉仪以及单像素成像三种量子以及量子衍生技术。被探测物体放置于ifm干涉仪中，利用ifm干涉仪，闲置光子可以实现无相作用成像。两个纠缠源source-1和source-2构成诱导相干干涉仪。利用诱导相干，物体的图像信息从闲置光子转移到信号光子。最后，利用单像素成像方法，通过信号光子单计数重建出物体图像。
56.图2示出了本发明的成像系统，其主要包括：激光器laser、第一二向色镜dm1、第三二向色镜dm3、诱导相干模块ic和单像素成像模块spi。第一二向色镜dm1位于激光器laser和诱导相干模块ic之间，用于使泵浦激光射向诱导相干模块，以及分离激光和自发参量下转换过程产生的光子对；第三二向色镜dm3，位于第一二向色镜dm1和单像素成像模块spi之间，用于透射信号光子到单像素成像模块spi，并将闲置光子反射过滤掉；诱导相干模块ic，位于位于第一二向色镜dm1之后；单像素成像模块位于第三二向色镜dm3之后。
57.本发明的诱导相干模块ic主要包括：一个双通型非线性晶体nc、第二二向色镜dm2、第一反射镜r1和ifm装置；非线性晶体nc，位于第一二向色镜dm1与第二二向色镜dm2之间；第二二向色镜dm2，位于非线性晶体nc与第一反射镜r1之间，用于分离正向自发参量下转换过程产生的闲置光子和信号光子，并将闲置光子反射进入ifm装置；第一反射镜r1，位于第二二向色镜dm2透射光路末端，用于反射激光和信号光子回到非线性晶体；ifm装置，位于二二向色镜dm2反射光路中。
58.该ifm装置由michelson干涉仪实现，包括：分束器bs、第二反射镜r2和第三反射镜r3。分束器bs，位于第二二向色镜dm2和第二反射镜r2/第三反射镜r3之间，用于将闲置光子分束为反射和透射两路；第二反射镜r2位于分束器反射光路末端，用于反射闲置光子回到
分束器；第三反射镜r3位于分束器透射光路末端，用于反射闲置光子回到分束器。激光器laser发射出的泵浦激光两次透射双通型非线性晶体nc，通过正向(从左到右)或者反向(从右到左)自发参量下转换过程(spdc)产生一对关联光子，光联光子为信号光子和闲置光子。本发明利用非线性晶体的宽频相匹配条件，可以灵活选择关联光子对的波长。正向spdc过程产生的闲置光子经第二二向色镜dm2反射进入ifm装置。当ifm装置的相对相位φ设置为0且ifm装置中没有物体时，正向spdc过程产生的闲置光子不能返回非线性晶体，因此诱导干涉会被抑制；在这种情况下，不能观察到闲置光子和信号光子的干涉。而若物体被放置于ifm装置的路径3中，该路径3为由第三反射镜r3和分束器bs构成的路径，则此物体的存在会抑制ifm干涉。正向spdc过程产生的闲置光子可以沿路径2经分束器bs反射两次回到双通型非线性晶体nc，该路径2为由第二反射镜r2和分束器bs构成的路径；然后在诱导相干干涉仪上建立部分路径全同性。因此，通过观察信号光子的干涉图，可以推断物体的存在。
59.本实施例通过在第一反射镜r1、第二反射镜r2、第三反射镜r3上分别安装电动位移台，第一位移台安装在第一反射镜上，用于调节信号光子的相位。第二位移台安装在第二反射镜上，用于调节分束器反射光路中闲置光子的相位。第三位移台安装在第三反射镜上，用于调节分束器透射光路中闲置光子的相位。利用电动位移台可以调节信号光子、闲置光子以及泵浦激光之间的相对光学延迟，建立正向和反向spdc过程的路径全同性，最终实现诱导干涉。
60.需强调，在整个成像过程中，闲置光子没有与物体发生直接相互作用。本发明的ifm装置的精妙之处在于利用了单光子波粒二象性。由于单个光子具有粒子属性，不能在bs上分裂为两个。因此，返回非线性晶体的闲置光子一定没有经过路径3，也即没有与物体发生直接相互作用。
61.本发明的单像素成像模块spi，用于获取成像物体的空间信息，参见图2中的(a)，单像素成像模块spi主要由空间光调制器slm和无空间分辨力的单光子探测器spd两部分构成；空间光调制器slm用于显示采样图案，无空间分辨力的单光子探测器spd用于探测与采样图案关联的单光子数。在实验中，可选择hadamard图案作为采样图案。所有采样图案的单光子数构成图像的hadamard谱，通过对hadamard谱进行hadamard反变换，可以重构出物体的像素化图像。本发明利用低噪声、高效率的单光子探测器，使该量子成像系统未来可应用于far-ir或者thz波段的无相互作用、单像素量子成像。
62.本发明也可以采用增强型电荷耦合器件iccd作为探测装置，即采用增强型电荷耦合器件iccd来替代单像素成像模块spi进行成像，如图2中的(b)所示，增强型电荷耦合器件iccd用于实现未探测光子的无相互作用量子成像。
63.现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
64.实施例1：
65.现通过未探测光子的无相互作用量子传感实验，来说明本发明的量子成像系统可实现对不透明物体的未探测光子的无相互作用量子传感。
66.首先，将ifm装置固定在干涉相消点(φ＝0)，考虑到非完美的ifm干涉对比度以及光路校准等因素，信号光子存在残留干涉，如图3中的(a)所示，残留干涉的对比度为11.3
±
1.9％。理想情况下，信号光子的干涉对比度应该为0。若把不透明物体放置于ifm装置的路径3中，正向spdc过程产生的闲置光子不会与物体发生直接相互作用，而是经过路径2被反
射回到双通型非线性晶体nc。如图3中的(b)所示，无相互作用的闲置光子会诱导出信号光子干涉，干涉对比度为22.3
±
1.8％。因此，物体是否存在决定了信号光子具有不同的干涉对比度。在实验操作上，采用诱导干涉的最大计数(图3中的(b)中的虚线)表示成功实现ifm，残余干涉的平均计数(图3中的(a)中的虚线)表示物体不存在。在不与物体发生直接相互作用的条件下，本实施例通过信号光子的单计数判断物体是否存在于ifm装置中。
67.在未探测光子的无相互作用量子传感实验中，获得物体存在(浅灰色，左侧直方图)和不存在(深灰色，右侧直方图)时信号光子单计数的直方图，如图3中的(c)所示。物体存在与否可以通过图3中的(c)和图3中的(d)中黑色虚线所示的临界阈值判断，阈值虚线偏离(物体存在与不存在时的)信号单光子计数平均值3.4σ左右。如图3中的(c)和图3中的(d)所示，可以清楚的区分物体存在(超过阈值的计数区间)和不存在(低于阈值的计数区间)，置信水平超过99.93％。
68.实施例2：
69.现通过未探测光子的无相互作用量子成像实验，来说明本发明的量子成像系统可获得高信噪比的物体图像。
70.本实施例采用如图2中的(b)所示增强型电荷耦合器件(iccd)作为探测装置，实现未探测光子的无相互作用量子成像。
71.现采用3d打印的
‘
nju’logo作为成像图，如图4所示，该成像图包括字符区域zone ii和其他区域zone i，字符区域zoneii是透明的，其他区域zone i是不透明的。该成像图具有一定的空间结构，若成像图被放置于ifm装置的路径3中，其他区域zone i和字符区域zone ii具有不同的信号光子计数和干涉对比度：
72.通过理论分析，可计算出其他区域zone i和字符区域zone ii的干涉图：
[0073][0074][0075]
式中，p
i(x,y)
和p
ii(x,y)
分别表示其他区域zone i和字符区域zone ii的信号光子产率，其与泵浦激光、双通型非线性晶体nc参数有关。θ表示信号光子相位，φ表示ifm中闲置光子的相对相位，(x,y)表示下转换子光子的空间位置。
[0076]
在干涉相长点(φ＝π)，信号光子的完整干涉图可描述为：
[0077][0078]
通过调节相位θ，获得干涉相长图c
max
(θ,φ＝π)和干涉相消图c
min
(θ,φ＝π)：
[0079][0080][0081]
在干涉相消点(φ＝0)，信号光子的完整干涉图可描述为：
[0082][0083]
在这种情况下，干涉相长图c
max
(θ,φ＝0)和相消图c
min
(θ,φ＝0)分别为：
[0084][0085][0086]
为了提高成像对比度，把公式(4)和公式(7)相减，获得如下图像：
[0087]cmax
(θ,φ＝π)-c
max
(θ,φ＝0)＝p
ii(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0088]
理想情况下，只有字符区域zone ii有信号光子计数，其他区域zone i没有计数。
[0089]
在未探测光子的无相互作用量子成像实验中，采用这种数据处理方法。
[0090]
实验中，需要记录两个不同相位设置下的信号光子图像，即(θ＝0,φ＝π)和(θ＝π,φ＝0)两种设置下的图像。包括：
[0091]
首先，将ifm装置固定在相位点(θ＝π,φ＝0)，此相位设置与实施例1的未探测光子的无相互作用量子传感实验采用的相位设置一致。在此相位设置下，记录第一个
‘
nju’logo的成像图，如图5中的(b)所示。
[0092]
而后，将ifm装置相对相位φ调至π，信号光子相位θ调至0，即(θ＝0,φ＝π)。在此相位设置下，若物体不存在，正向spdc过程产生的闲置光子将决定性的回到双通型非线性晶体nc。因此，与字符区域zoneii的闲置光子相关联的信号光子干涉相长。在(θ＝0,φ＝π)的相位设置下，记录
‘
nju’logo的成像图，如图5中的(a)所示。
[0093]
为了增强干涉图像信噪比，对以上两个相位设置下获取的图像相减，获得最终
‘
nju’logo的成像结果，如图5中的(c)所示。由此可知，通过上述数据处理，可获得高信噪比的物体图像。
[0094]
实施例3：
[0095]
现通过未探测光子的无相互作用、单像素量子成像实验，来说明本发明的量子成像系统可实现物体图像的重建。
[0096]
本实施例采用图2中的(a)所示的单像素成像模块，实现了未探测光子的无相互作用、单像素量子成像。
[0097]
现采用3d打印的
‘
nju’logo作为成像图，如图4所示，该成像图包括字符区域zone ii和其他区域zone i，字符区域zoneii是透明的，其他区域zone i是不透明的。
[0098]
若成像图被放置于ifm装置的路径3中，两个不同区域的信号光子计数会具有不同的干涉对比度。通过理论分析，可计算出其他区域zone i和字符区域zone ii的干涉图：
[0099][0100][0101]
式中，p
i(x,y)
和p
ii(x,y)
分别表示其他区域zone i和字符区域zone ii的信号光子产率，其与泵浦激光、双通型非线性晶体nc参数有关。θ表示信号光子相位，φ表示ifm中闲置
光子的相对相位，(x,y)表示下转换子光子的空间位置。
[0102]
在干涉相长点(φ＝π)，信号光子的完整干涉图可描述为：
[0103][0104]
通过调节相位θ，获得干涉相长图c
max
(θ,φ＝π)和干涉相消图c
min
(θ,φ＝π)：
[0105][0106][0107]
在干涉相消点(φ＝0)，信号光子的完整干涉图可描述为：
[0108][0109]
干涉相长图c
max
(θ,φ＝0)和相消图c
min
(θ,φ＝0)分别为：
[0110][0111][0112]
对于未探测光子的无相互作用、单像素量子成像实验，采用如下方法处理成像数据：
[0113]cmax
(θ,φ＝π)-c
min
(θ,φ＝π)-c
max
(θ,φ＝0)+c
min
(θ,φ＝0)＝2p
ii(x,y)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0114]
本实施例的hadamard图案的像素大小选为64
×
64，现先采用少量采样图案数目(256个)验证本实施例成像系统的可行性，然后增加采样图案数目(1024个)，以获取更高分辨率的图像。两种采样图案数目分别占总像素数的6.25％和25％。
[0115]
在四个相位设置下，记录与每个hadamard图案相关联的单光子计数：c(θ＝π,φ＝0)、c(θ＝0,φ＝00、c(θ＝0,φ＝π)和c(θ＝π,φ＝π)。即(θ＝0,φ＝π)、(θ＝π,φ＝π)、(θ＝π,φ＝0)和(θ＝0,φ＝0)四种设置下的单光子计数。
[0116]
由于公式(10)获得的光子计数是公式(9)的两倍，因此公式(10)示出的数据处理方法可以显著增强图像亮度。根据以上四个单光子计数，基于公式(10)，计算出每个hadamard图案的最终关联光子数cm：
[0117]cm
＝c(θ＝0,θ＝π)-c(θ＝π,φ＝π)+c(θ＝π,φ＝0)-c(θ＝0,φ＝0)
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0118]
然后，采样集合中的每个hadamard图案与相应关联光子数相乘，得到一组加权图案。
[0119]
最后，所有加权图案相加实现物体图像的重建。以上图像重建算法，等价于对hadamard谱进行hadamard反变换。
[0120]
测得的hadamard谱如图6所示。通过对hadamard谱作hadamard反变换，重建出
‘
nju’logo的图像，如图7所示。
[0121]
在整个成像过程中，闲置光子和信号光子都没有与物体发生直接相互作用，且不
需要使用任何波段的ccd相机进行探测。仅利用可见光单光子探测器实现了近红外波段的无相互作用、单像素量子成像。