一种基于微透镜阵列的量子关联成像系统

1.本发明属于目标探测、成像与识别技术领域，具体涉及一种基于微透镜阵列的高能量收集效率的量子关联成像系统。


背景技术：

2.量子成像是一种基于量子纠缠态的特殊量子关联实现的新型成像技术，相比较于传统成像，量子成像具有成像精度高、能突破经典散粒噪声极限的优势，成为目前新体制成像技术研究的热点。
3.目前，量子成像普遍采用量子纠缠态的两个模式的量子关联实现目标成像，纠缠的两个光学模式分别称为信号模式和闲置模式。信号模式与目标相互作用，并通过一个没有空间分辨能力的探测器进行探测，另一个为闲置模式，通过具有一定空间分辨能力的探测器探测。最后，通过对两个探测器的探测结果的量子关联反推出目标的空间信息，形成待成像目标的强度像。但是，目前由于量子信号相对较弱，易受到环境影响而发生损耗，量子成像的光子能量收集效率低，光子有效计数低，成像速度较慢，给实际量子成像的大规模应用带来了诸多不便。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于微透镜阵列的量子关联成像系统，解决目前量子关联成像系统面临的光子能量收集效率低，光子有效计数低，成像速度较慢等问题。
5.本发明的技术方案是：一种基于微透镜阵列的量子关联成像系统，包括发射机、接收机、综合控制系统和图像反演系统；发射机在综合控制系统的发射指令下，输出两模真空压缩态光源，分为模式a光场和模式b光场，模式a光场留在本地，模式b光场与目标作用后返回接收机，接收机在综合控制系统的收发同步控制下对模式a、b光场进行时间同步和符合测量，并将探测结果输送至图像反演系统；综合控制系统用于发射机输出控制、接收机的符合测量控制、时钟同步和实时通信；图像反演系统采用高效符合测量数据处理方法反演目标的强度像。
6.所述发射机包括两模真空压缩态光源单元、模式a光场擦除单元、模式a光场调控单元、模式b光场擦除单元、模式b光场调控单元、信号准直与发射单元；两模真空压缩态光源单元发出两模式真空压缩态，分为模式a和模式b，模式a光场作为闲置模式留在本地，模式b光场作为信号模式向目标发射；模式a光场依次通过模式a光场擦除单元、模式a光场调控单元；模式b光场依次通过模式b光场擦除单元、模式b光场调控单元；上述两路输出的模式a光场和模式b光场形成量子纠缠度更高的量子态，最后通过信号准直与发射单元形成用于量子成像的发射光源。
7.所述模式a光场擦除单元、模式b光场擦除单元采用光学分束器和单光子探测器组成，其中单光子探测器仅对1个光子响应，对无光子和多光子均不响应。
8.所述模式a光场调控单元、模式b光场调控单元采用可变光学衰减器，所述可变光学衰减器由可调光学透过率的光学分束器组成，宽带响应范围690nm-1100nm，透反比范围从1：99到95：1。
9.所述接收机包括模式a光场收集单元、模式a光场探测单元、模式b光场收集单元和模式b光场探测单元；模式b光场经目标作用后返回接收机，经模式b光场收集单元输出，在综合控制系统的同步控制下，与通过模式a光场收集单元输出的模式a光场进行符合测量，符合测量通过模式b光场探测单元与模式a光场探测单元的同步探测来实现，符合测量结果输入至图像反演系统。
10.所述模式a光场收集单元采用微透镜阵列，模式a光场探测单元采用单光子阵列探测器，微透镜阵列与单光子阵列探测器像元级耦合，单光子阵列探测器工作在盖格模式。
11.模式b光场探测单元采用单光子探测器，单光子探测器工作在盖格模式，探测效率大于40％，暗计数率小于50cps。
12.所述综合控制系统包括发射机收发同步子系统和接收机收发同步子系统和授时及控制中心；发射机和接收机分别对应发射机收发同步子系统和接收机收发同步子系统，由授时及控制中心分别向发射机收发同步子系统和接收机收发同步子系统发送同步信号，进行二者之间的时钟同步和调控信息的实时通信，并控制接收机进行模式a光场、模式b光场的符合测量。
13.所述图像反演系统采用高效符合测量数据处理方法反演目标的强度像，包括：
14.步骤1，实验设定有效计数次数m，将模式a光场探测单元的探测结果初始化为i1(x1)＝0，其中x1代表模式a探测单元在x方向的空间坐标；将模式b光场探测单元的探测结果初始化为i2(x2)＝0，x2代表模式a探测单元在x方向的空间坐标；将有效探测次数初始化为m＝0；
15.步骤2，判断成像进程工作时序信号是否为高电平信号；如果是，则i1(x1)和i2(x2)根据探测结果进行光子计数累积，并设定m＝m+1；如果不是，则不进行计数累计；
16.步骤3，循环步骤2，直到进行了m＝m次有效探测，循环终止并执行步骤4；
17.步骤4，根据i1(x1)和i2(x2)的计数结果计算量子关联函数g(x1,x2)；设x2＝0为x方向的原点，得到量子关联函数g(x1,x2＝0)；对g(x1,x2＝0)执行逆傅里叶变换，获得目标的强度像t(x)：
[0018][0019]
其中，λ为激光波长，f为模式b光场收集单元的焦距，lc为两模真空压缩态光源单元中参量下转换晶体在光传播方向上的长度。
[0020]
所述授时及控制中心分别向发射机收发同步子系统和接收机收发同步子系统发送同步信号，进行二者之间的时钟同步和调控信息的实时通信，包括：在一个时钟脉冲周期内，首先是扫描进程工作时序信号生效，发射机和接收机共同执行扫描进程，利用该进程中获得的模式a光场探测单元和模式b光场探测单元的测量结果，调整模式a光场调控单元和模式b光场调控单元中的光学分束器透过系数，使得模式a光场探测单元的单光子阵列探测
器与模式b光场探测单元的无空间分辨单光子探测器的计数大小相当或处于相同量级，实现高对比度的符合计数；其次是成像进程工作时序信号生效，发射机和接收机共同执行成像进程，扫描进程工作时序与成像进程工作时序的生效时长比为1：4到1：10之间。
[0021]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0022]
1)本发明在单光子阵列探测器前增加微透镜阵列，可以大幅度提升闲置光的信号收集效率，提高符合计数的大小和单位时间内的成像质量。
[0023]
2)本发明中量子成像系统在时序安排上采取扫描进程和成像进程相结合。扫描进程仅用于统计信号模式和闲置模式上光子探测器的计数水平，形成对纠缠着的两个模式的强度调控参数。成像进程则利用信号模式和闲置模式上的光子计数水平，激活图像反演系统，形成目标的像。
[0024]
3)本发明中采用了双边光子擦除后的两模压缩真空态作为量子纠缠态，纠缠的两个模式的平均光子数水平本身较高、给信号的高能量收集效率提供了有利条件。同时，对两个光场模式上进行光场调控，以实现两个光场模式对应探测单元的计数大小相当或处于相同量级，实现高对比度的符合计数。
[0025]
4)本发明采用具有授时中心功能的中心结点进行发射机和接收机同步，可以有效地降低发射机和接收机功耗和尺寸，提高系统集成度水平。
[0026]
5)本发明采用参量下转换制备的量子纠缠进行成像，其原理也可以应用在具有光子数关联特性的光子数关联量子态为基础的目标成像。
[0027]
6)本发明制备的量子成像系统可以用于强背景下暗弱目标的快速成像，也可以应用于低损伤阈值的生物组织的医学成像。
附图说明
[0028]
图1为本发明的整体方案图；
[0029]
图2为本发明中实施方案一中光学分束器各端口标记示意图；
[0030]
图3为本发明中实施方案一中光场擦除单元示意图；
[0031]
图4为本发明中实施方案一中光场调控单元示意图；
[0032]
图5为本发明中实施方案一中接收机示意图；
[0033]
图6为本发明中实施方案一中微透镜阵列与单光子阵列探测器有效探测单元相对位置图。
[0034]
图7为本发明中实施方案一中扫描进程和成像进程的时序逻辑图。
[0035]
图8为本发明中实施方案一中图像反演系统流程图。
[0036]
图9为本发明中实施方案一中实验装置中目标尺寸(a)及理论强度像分布(b)。
[0037]
表1为本发明中实施方案一典型应用场景条件下的微透镜阵列引入前和微透镜阵列引入后能量收集效率对比数据表
[0038]
图10为本发明中实施方案一典型应用场景条件下的不同单元直径时的光子能量收集效率。
[0039]
图11为本发明中实施方案一中微透镜阵列引入前的成像和微透镜阵列引入后的成像效果对比图。
具体实施方式
[0040]
本发明对发射源输出的两个模式分别执行光场擦除操作和光场调控操作，以获取更高纠缠度的纠缠态，同时在接收机采用微透镜阵列技术提升符合测量的效能，并结合专门设计的高效数据反演方法，实现了一种高能量收集效率的量子关联成像系统。在典型应用场景下光子能量收集效率提高5至40倍，实现了量子成像效率的大幅提升。
[0041]
本发明在光源处采用光场擦除和光场调控操作以提高量子态纠缠度，在探测方面通过微透镜阵列提升符合测量的效率，并配合高效符合测量数据处理方法，实现高能量收集效率的量子成像系统。
[0042]
本技术提供了一种基于微透镜阵列的量子关联成像系统，基本如附图1所示，包括发射机1、接收机2、综合控制系统3和图像反演系统4组成。发射机1在综合控制系统3的发射指令下，输出两模真空压缩态光源，分为模式a光场和模式b光场，模式a光场留在本地，模式b光场与目标作用后返回接收机，接收机2在综合控制系统3的收发同步控制下对模式a、b光场进行时间同步和符合测量，并将探测结果输送至图像反演系统4。图像反演系统4采用高效符合测量数据处理方法反演目标的强度像。综合控制系统3用于发射机1输出控制、接收机2的符合测量控制、时钟同步和实时通信。
[0043]
发射机1包括两模真空压缩态光源单元11、模式a光场擦除单元12、模式a光场调控单元13、模式b光场擦除单元14、模式b光场调控单元15、信号准直与发射单元16；两模真空压缩态光源单元11发出两模式真空压缩态，分为模式a和模式b，模式a光场作为闲置模式留在本地，模式b光场作为信号模式向目标发射。模式a光场通过模式a光场擦除单元12、模式a光场调控单元13,模式b光场通过模式b光场擦除单元14、模式b光场调控单元15,输出的模式a光场和模式b光场形成量子纠缠度更高的量子态，用于量子成像的发射光源。模式b光场通过信号准直与发射单元16进行整形扩束，朝目标发射。模式a光场通过光纤存储在本地，在综合控制系统3的控制下与从目标反射的模式b光场进行同步符合测量。图1采用usaf1951分辨力板来示意目标。
[0044]
接收机包括模式a光场收集单元21、模式a光场探测单元22、模式b光场收集单元23和模式b光场探测单元24；模式b光场经目标作用后返回接收机，经模式b光场收集单元23输出，在综合控制系统的同步控制下，与通过模式a光场收集单元21输出的模式a光场进行符合测量，符合测量通过模式b光场探测单元24与模式a光场探测单元22的同步探测来实现，符合测量结果输入至图像反演系统4。
[0045]
综合控制系统3包括发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32和授时及控制中心33；发射机1和接收机2分别对应发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32，由授时及控制中心33分别向发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32发送同步信号，进行二者之间的时钟同步和调控信息的实时通信，并控制接收机2进行模式a光场、模式b光场的符合测量。
[0046]
图像反演系统4实现符合测量计数结果向目标强度像的转换。以一维图像(仅x方向有强度变化)为例，图像反演系统4涉及的高效符合测量数据处理方法如下：
[0047]
步骤1，开始时，实验设定有效计数次数m，将模式a光场探测单元22的探测结果初始化为i1(x1)＝0，其中x1代表模式a探测单元22在x方向的空间坐标。将模式b光场探测单元24的探测结果初始化为i2(x2)＝0，x2代表模式a探测单元22在x方向的空间坐标。将有效探
测次数初始化为m＝0。
[0048]
步骤2，判断成像进程工作时序信号是否为高电平信号；如果是，则i1(x1)和i2(x2)根据探测结果进行光子计数累积，并设定m＝m+1。如果不是，则不进行计数累计；
[0049]
步骤3，继续循环步骤2，一直到进行了m＝m次有效探测，循环终止；
[0050]
步骤4，循环终止后，根据i1(x1)和i2(x2)的计数结果计算量子关联函数g(x1,x2)；由于模式b光场探测单元24没有空间分辨能力，设x2＝0为x方向的原点，得到量子关联函数g(x1,x2＝0)；对g(x1,x2＝0)执行逆傅里叶变换，获得目标的强度像t(x)。t(x)的计算公式为：
[0051][0052]
其中，λ为激光波长，f为模式b光场收集单元23的焦距，lc为两模真空压缩态光源单元11中参量下转换晶体在光传播方向上的长度。
[0053]
在发射机内部：两模真空压缩态光源单元11发出两模式真空压缩态，分为模式a和模式b。模式a光场为闲置模式，依次通过模式a光场擦除单元12、模式a光场调控单元13置于发射机本地，等待综合控制系统3的同步测量指示到达接收机2；模式b光场为信号模式，依次通过模式b光场擦除单元14、模式b光场调控单元15，经信号准直与发射单元16与目标作用。图1采用usaf1951分辨力板来示意目标。模式a光场擦除单元12、模式b光场擦除单元14采用光学分束器和单光子探测器组成，其中单光子探测器仅对1个光子响应，对无光子和多光子均不响应。模式a光场调控单元13、模式b光场调控单元15采用可变光学衰减器，可变光学衰减器由可调光学透过率的光学分束器组成，具有690nm-1100nm的宽带响应范围，透反比(透射率：反射率)范围从1：99到95：1。
[0054]
在接收机内部：模式a光场收集单元21首先负责接收发射机发射来的闲置信号，并采用模式a光场探测单元22进行探测。模式a光场收集单元21采用微透镜阵列，模式a光场探测单元22采用单光子阵列探测器，单光子阵列探测器工作在盖格模式。模式a光场收集单元21、模式a光场探测单元22像元级耦合时使用。模式b光场收集单元23负责接收从目标透射来的信号，并由模式b光场探测单元24进行探测。模式b光场探测单元24采用无空间分辨能力的单光子探测器进行探测，单光子探测器工作在盖格模式，探测效率大于40％，暗计数率小于50cps。
[0055]
综合控制系统3内部：发射机1和接收机2分别对应发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32，由授时及控制中心33分别向发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32发送同步信号，进行二者之间的时钟同步和调控信息的实时通信，并控制接收机2进行模式a光场、模式b光场的符合测量。授时及控制中心33向发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32发送时间指令和控制信息，用于发射机1和接收机2的同步。在授时及控制中心33的控制下，量子成像系统在每个时间周期内先后进行扫描进程和成像进程。
[0056]
在图像反演系统内部：通过对模式a光场探测单元22和模式b光场探测单元24两路探测到的光子计数结果进行数据处理和图像反演，采用高效符合测量数据处理方法，获得
目标的强度信息。
[0057]
图2为本发明中实施方案一中光学分束器的各端口标记示意图。光学分束器(bs)有两个输入端口，分别为第一输入端口(a)和第二输入端口(b),两个输出端口，分别是第一输出端口(c)和第二输出端口(d)。
[0058]
实施方案二
[0059]
提出一种基于微透镜阵列的量子关联成像系统，并对发射机进行细化。其中：发射机中的两模压缩真空态可以通过参量下转换过程产生，这里我们略去产生两模压缩真空态的过程。压缩真空态的一个模式为闲置模式，记作模式a光场，依次通过模式a光场擦除单元12、模式a光场调控单元13到达接收机；另一个模式为信号模式，记作b，依次通过模式b光场擦除单元14、模式b光场调控单元15，经信号准直与发射单元16与目标作用。
[0060]
模式a光场擦除单元12和模式b光场擦除单元14的结构相同，如图3所示。光场擦除单元的结构主要由光学分束器和光子探测器组成。入射量子态的模式a光场或者模式b光场，与光学分束器bs1的输入端口(a)相连接；模式e1是真空态即0光子态，与光学分束器bs1的输入端口(b)相连接。经过光学分束器作用后，输出端口(c)输出的量子态由单光子探测器d3进行探测，并且单光子探测器d3仅对1个光子的状态进行响应，对无光子和多光子不响应。当单光子探测器d3发生1个光子响应时，表示光子擦除单元的光子擦除操作取得成功。一般设光场擦除单元的光学分束器bs1的透过率为0.9。
[0061]
模式a光场调控单元13和模式b光场调控单元15结构相同，如图4所示。光场调控单元的结构主要由具有可调透过效率的光学分束器bs2组成。图3涉及的光学分束器bs1的输出端口(d)与图4涉及的光学分束器bs2的输入端口(a)连接。模式f1是真空态即0光子态，与光学分束器bs2的输入端口(b)连接。光学分束器bs2的输出端口(c)输出态为光学模式f2，后续不再使用，可以直接耗散到环境中。bs2的输出端口(d)为光场调控单元的量子态输出端口。光场调控单元的光学分束器bs2，具有690nm-1100nm的宽带响应范围，透反比(透射率：反射率)范围从1：99到95：1。
[0062]
对于模式b光场，模式b光场调控单元15的bs2的输出端口(d)与信号准直与发射单元16连接。信号准直与发射单元结构16由聚焦透镜组组成，经准直后输出的模式b光场作为信号光发射，与目标相互作用。
[0063]
对于模式a光场，模式a光场调控单元13的bs2的输出端口(d)输出的量子态放置在本地，等待与目标反射回的模式b光场一起进入接收机。
[0064]
图5为本发明中实施方案一中接收机示意图。模式a的量子态由模式a光场收集单元21进行收集，其中模式a信号收集单元21由微透镜阵列组成，模式a探测单元23由阵列规模与微透镜阵列相同的单光子阵列探测器组成。模式b的量子态由模式b光场收集单元22进行收集，模式b光场收集单元22是由共轴的薄透镜l3和l4进行准直，而后由不具备空间分辨力的单光子探测器构成的模式b光场探测单元24进行探测。模式a光场探测单元23和模式b光场探测单元24的探测结果由图像反演系统4进行反演。
[0065]
图6为本发明中实施方案一中微透镜阵列与单光子阵列探测器有效探测单元相对位置图。我们令微透镜阵列的平面与单光子阵列探测器平面平行。微透镜阵列的有效单元的直径为dm，微透镜阵列的有效单元的空间间隔为lm。单光子阵列探测器的有效单元直径为d。单光子阵列探测器的有效单元之间空间间隔为l。微透镜阵列所在平面与单光子阵列探
测器阵列平面间的距离为z0。
[0066]
发射机1和接收机2分别配有发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32，由授时及控制中心33分别向发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32发送同步信号，进行二者之间的时钟同步和调控信息的实时通信。
[0067]
授时及控制中心33向发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32发送时间指令和控制信息，用于发射机和接收机的同步。在授时及控制中心33的控制下，量子成像系统在每个时间周期内先后进行扫描进程和成像进程。最后，图像反演系统4根据成像进程中所探测到的结果，形成待求目标的图像。
[0068]
图7为本发明中实施方案一中扫描进程和成像进程的时序逻辑图。由具有授时功能的授时及控制中心33分别向发射机收发同步子系统31和接收机收发同步子系统32发送时钟脉冲信号，在一个时钟脉冲周期内，首先是扫描进程工作时序信号生效，发射机和接收机共同执行扫描进程，利用该进程中获得的模式a光场探测单元23和模式b光场探测单元24的测量结果，调整模式a光场调控单元13和模式b光场调控单元15中的光学分束器透过系数，使得模式a光场探测单元23的单光子阵列探测器与模式b光场探测单元24的无空间分辨单光子探测器的计数大小相当或处于相同量级，实现符合计数的高对比度。其次是成像进程工作时序信号生效，发射机和接收机共同执行成像进程，图像反演系统利用成像进程中获得的数据反演出待成像目标的强度像。扫描进程工作时序与成像进程工作时序的生效时长比为1：4到1：10之间。
[0069]
图8为图像反演系统流程图。i1(x1)为模式a光场探测单元23的探测结果，i2(x2)为模式b光场探测单元24的探测结果，由于两模压缩真空态本身的量子关联，i1(x1)和i2(x2)之间存在着量子关联g(x1,x2)。由于模式b光场探测单元24没有空间分辨能力，可以设定x2＝0，进而得到量子关联g(x1)。量子关联g(x1)恰恰与待成像目标的透过率是傅里叶变换关系，通过逆傅里叶变换可以获得目标的强度像t(x)。
[0070]
图9为本发明中实施方案一中实验装置中目标尺寸(a)及理论强度像分布(b)。待成像物体为两条细长狭缝，狭缝间隔a＝5um(微米)，缝宽均为d＝10um。
[0071]
表1为本发明中实施方案一中微透镜阵列引入前和微透镜阵列引入后能量收集效率对比。设单光子阵列探测器列的有效探测单元直径为d＝3.7微米，单元间距l＝10.96微米，设光的波长为1064纳米,可计算出单光子阵列探测器的有效探测因子为f＝5％。设微透镜阵列的焦距为20微米，当距离z0＞40微米时，光子能量收集效率达到6.79％,比未采用微透镜阵列时提高了35.8％。
[0072]
表1微透镜阵列引入前和微透镜阵列引入后能量收集效率对比
[0073]
[0074]
图10为本发明中实施方案一中典型应用场景条件下的不同单元直径dm时的光子能量利用率。设定z0＝3fm,为了给dm较大的变化范围，我们取d＝2.7微米，l＝31微米，我们取lm＝d+l-dm以使得微透镜阵列单元和单光子阵列探测器的有效单元中心点恰能重合。在引入微透镜陈列以前，系统的填充因子为0.5％。光子能量收集效率由η1即标记有方框的线给出，在引入透镜阵列以后，光子能量收集效率由η2即标记有圆圈的线给出。特别地，如果我们设定dm＝14.41微米，lm＝19.29微米,可以计算出此时微透镜阵列辅助下的光子能量利用率为η2＝0.0249，提升399.2％。由图9(b)不难看出，能量收集效率提高5至40倍。其中，在图9(b)中我们用黑色实线标示出了能量收集效率提升30％时的情况。可以看出，通过增加微透镜阵列，可以实现光子能量利用率的大幅提升。
[0075]
图11为本发明中实施方案一中微透镜阵列引入前的成像和微透镜阵列引入后的成像效果。我们选取单光子阵列探测器的有效探测单元直径d＝2.7微米，单光子阵列探测器有效探测单元物理间隔l＝31微米，微透镜阵列单元直径dm＝14.41微米，微透镜阵列单元焦距lm＝19.29微米，微透镜阵列单元焦距fm＝10微米，信号光波长1064纳米。通过综合20次仿真实验的平均性能表明，加入微透镜阵列以前，图像的平均失真率约为20.7％，而加入了微透镜阵列，由于光子的能量收集效率提高，其平均失真率降为17.1％，为提高量子成像质量提供了新契机，下一步可以通过微透镜阵列尺寸的优化、材料的优化,实现成像质量的进一步提高。
[0076]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。