基于新型稀铋半导体宽带光源的量子成像研究

As a new imaging method, quantum imaging breaks the traditional linear optical imaging concept and has superior channel noise immunity, which can be used for weak signal imaging. High-resolution imaging in low-light detection environments is the key to optical coherence tomography (OCT). In existing OCT systems, the increase in axial resolution and depth of detection is limited by the system light source. The optimal resolution of the spectral source OCT is 3.6 microns. How to achieve high resolution imaging by using a light source with a longer wavelength and a wider spectral range and more efficient imaging means is an urgent problem to be solved. This project plans to use a new type of dilute broad-spectrum light-emitting device developed by ourselves as a light source for quantum imaging systems. Its half-width of light emission can reach 690 nm, which exceeds the current world record of 513 nm of InAs quantum dots. Theoretically, the resolution can be increased to within 1 micron when applied to OCT systems. Using single photon detection technology and target imaging algorithm, a theoretical model of quantum photon with few photons will be established to study the limit of imaging photon number. Through the improvement of the target imaging algorithm, the utilization of the null pulse information will be utilized, the single photon information bearing capacity will be improved, the photon efficiency will be improved under the weak detection condition, and the high resolution imaging can be realized.

量子成像作为一种全新的成像方式，打破了传统线性光学成像理念，具有抗干扰能力强、分辨率高等优点，可用于微弱信号成像。而微弱信号下的高分辨成像正是光学相干层析成像技术（OCT）的关键。现有OCT系统中，轴向分辨率与光源光谱宽度成反比，当前最佳分辨率为3.6微米。如何通过波长更长且光谱更宽的光源器件以及更有效的成像手段实现高分辨的成像是亟需解决的问题。申请人前期自主研发的新型稀铋宽光谱发光器件的发光半峰宽可达690纳米，突破当前量子点发光器件的世界记录，理论上可将OCT分辨率提高到1微米以内。本项目将以实现弱光探测环境下的高分辨成像为研究目标，拟采用新型稀铋宽带光器件作为量子成像系统光源，利用单光子探测技术和目标成像算法，建立少光子量子成像理论模型，研究成像光子数极限这一关键科学问题。并通过目标成像算法的改进，利用曾被忽略的空脉冲信息，提升单光子信息承载能力，实现高光子效率高分辨的成像。

量子成像可利用光场的物理关联特性来实现对目标物体在空间上的强度和距离等信息的获取，突破了传统线性光学系统的限制，可以实现物象分离，无透镜成像和单像素成像，因此具有抗信道噪声能力强，成像分辨能力强，探测灵敏度高，信息多维化利用等优点。.为解决现有成像技术在弱光下所面临的视场受限、分辨率受限、成像距离受限、光子数受限、识别能力受限等难题，本项目着重研究了在单光子探测条件下如何利用和优化量子成像系统使其在光子效率以及成像时间和质量上有重要的突破，我们围绕单光子探测下的量子成像做了理论、算法和实验方案上的深入探究。通过结合极弱回波信号探测下的泊松概率统计和极大似然估计，提出了快速首达光子成像算法，建立量子成像理论模型，搭建了单光子探测量子成像实验平台，实现了少于0.1光子每像素的光子利用效率。在单光子泊松探测模型下建立了单光子探测量子成像的理论模型，推导了成像质量参数与成像系统变量之间的关系，给出了空间分辨率，图像信噪比和对比度的表达式，以及了光子效率的定义式，并在理论上得到了光子效率与图像信噪比之间的关系。我们用实验验证了理论结果，表明了光子效率和图像质量参数与系统参数如调制矩阵稀疏度，目标稀疏度，光源强度，探测帧数等相关，这方面的工作可为相应系统的分析和优化做基础。引入深度学习算法，建立了无需配对训练的深度学习量子成像模型，实现了采样率的降低和重建速度的提升，优化了量子成像的抗噪声能力，提升了图像的重建质量。同时为解决新型半导体光电器件在量子成像等应用场景中的光场调制和控制优化等限制，同时提升与之相关的各类系统的稳定性和高性能，针对半导体光电器件在调控技术和器件设计方面的问题开展了一系列的相关研究，并对单光子探测下的无成像的目标关联识别的应用和动态散射成像应用进行了相关研究。