项目背景

作为基础科学研究和前沿工程技术的重要观察手段之一，具有单光子灵敏度的高分辨率成像技术能够揭示多种科学现象的内在机理并产生广泛应用，已成为国家的重要战略需求。

单光子灵敏度高分辨率成像技术能够在流式细胞计数、荧光寿命成像、超分辨率成像、超快光学成像等领域发挥基础性作用。此外，对于X射线成像、红外成像以及太赫兹成像等非可见光波段，单光子灵敏度高分辨率成像技术同样适用。然而，基于高分辨率阵列探测器的成像系统制备较为困难，国内尚无成熟制备工艺，限制了这些领域的发展。

在此背景下，湖北光谷实验室丁毅研究员、孙瑞工程师研究团队经过深入研究，成功研发出单光子灵敏度关联成像技术，以其独特的成像原理和高灵敏度的优势，为解决上述问题提供了有力工具。

技术路线

单光子灵敏度关联成像技术以激光作为光源，经过扩束器与衰减器，光强降低至极弱光水平。通过在空间光调制器（SLM）加载调制编码，产生初始光场。

然后，将光照射到目标物体上。利用Fresnel-Huygens传播理论，可以计算物体处的光场分布。随后被反射的光强信号由单光子探测器收集，并通过数据采集卡传输至电脑中。

最后，利用关联成像算法恢复出物体图像。这一过程无需高分辨率阵列探测器，降低了设备成本，同时提高了成像质量。

基本原理示意图

技术优势

非可见光波段成像优势：关联成像使用桶探测器直接捕获经过调制的光强信号，随后使用关联成像算法恢复目标的高分辨图像。该方法无需高分辨率阵列探测器，因此在非可见光波段成像具有显著优势，例X射线成像、红外成像以及太赫兹成像等；

单光子灵敏度：光子是光产生和湮灭的最小能量单位，单个光子的能量极其微弱，需要单光子探测器这类特殊器件进行收集。关联成像以桶探测的方式实现对光的汇聚收集，大幅提升了光信号的能量密度和信噪比，能够以低成本实现高分辨的单光子成像；

高分辨率成像与低成本：高分辨率的单光子探测器阵列制备难度较大，目前一般仅能制备包含数千个像素的小阵列。而单光子灵敏度关联成像技术通过关联成像算法，能够恢复出高分辨率的图像，克服了高分辨率探测器制备难度大的问题，且降低了成像成本；

抗干扰性强：该技术能够在复杂环境条件下保持稳定的成像效果，减少外界干扰对成像质量的影响；

远距离成像能力：单光子灵敏度关联成像技术具备对小目标进行远距离成像的能力，为远程监控和探测提供了新的技术手段；

适应性强：在极弱光条件下，该成像方法同样适用，展现了其强大的适应性和稳定性。

技术优势示意图

Nat.Photonics 13, 13–20 (2019)

实验结果展示

实验光路图

实验结果

在低测量次数、低PPP条件下，实现高质量重建

（M：测量次数，PPP：平均每像素光子数）

应用场景

单光子灵敏度关联成像技术在多个领域具有广泛的应用前景。

在核医学成像和高能射线探测方面，该技术能够实现对微弱信号的精确捕捉和重建，提高成像质量和诊断准确性。

在科学显微成像方面，该技术可用于单光子灵敏度荧光显微成像和量子超分辨率显微等领域，为科学研究提供有力支持。

在空间探测与量子信息方面，该技术可用于水下探测、遥感成像和量子信息等领域，为深空探测和量子成像提供可靠保障。

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来源：光谷实验室