基于单光子相机的量子成像系统研究及其应用

High-sensitivity single-photon cameras， such as single photon avalanche diode (SPAD) arrays, are capable of measuring light at single-photon (i.e., quantum) level and delivering images of single photons. This ability significantly enhances imaging technology and remote sensing. This project will implement a quantum imaging system with a single-photon camera and demonstrate its capability to escape the limitations of traditional cameras to enable widespread applications in science and technology. It includes two phases: (I) we will build up a quantum imaging system at visible wavelength (~700 nm), in which low-cost Si-photonic-based SPAD arrays are commercially available, and use this system to realize photon-efficient 3D imaging that can acquire depth and reflectivity information of real-life scenes with a small number of photons (i.e., one photon per pixel); (II) we will extend the system to near-infrared wavelength (~1560 nm), in which frequency-conversion technique will be adopted to realize the SPAD arrays, and use this system to demonstrate photon-efficient imaging for high-speed dynamic sensing, such as detecting and tacking objects hidden from view.

高灵敏度和高时间分辨率的单光子相机，例如单光子雪崩二极管阵列，能够准确测量量子水平的光，并呈现单光子图像，从而显著地增强光学成像技术和光学遥感。本项目拟实现基于单光子相机的量子成像系统，证明此系统可以突破传统光学成像极限，并且实现此系统在科学和技术中的应用。本项目包括两个研究阶段：（一）我们将在可见光波段（～700nm）采用基于硅单光子雪崩二极管阵列实现完整的量子成像系统，并且用该系统实现光子有效的三维成像，其所需的光子数达到世界最优水平，即每个像素少于1个光子（传统1000个光子）; （二）我们将把此系统扩展到近红外波段（～1560nm），其中将采用频率转换技术来实现此波段的单光子探测器阵列，并且演示该系统在实际环境中的应用，例如在高速动态传感领域对隐藏在视线外的物体进行检测和追踪。

单光子成像技术可对单个光子量级的回波信号进行探测，并精确记录光子的到达时间，具有灵敏度高、时间测量精度高等优势，同时结合高效的计算成像算法，可在极弱光情况下实现高精度的三维成像、非视域成像等应用。现阶段，单光子成像研究以进行计算成像算法的原理性验证为主，系统所采用的工作波段主要集中在可见光波段。这类单光子成像系统受自然光影响剧烈，难以真正走向实用化。..本项目致力于发展实用化单光子成像技术和算法，形成集成样机并在户外环境下进行相关演示，主要研究内容包括两个方面：.① 单光子成像算法方面，主要研究单光子成像的前向模型和自然场景中普遍存在的空间关联性，开发高灵敏度、高抗噪能力、高运行速度的单光子计算成像算法；.② 单光子成像实验方面，主要包括：研制近红外单光子阵列探测器，构建近红外波段的单光子成像系统，演示近红外单光子成像系统在远距离、非视域等场景下的应用等。.本项目根据既定的研究内容，在单光子成像算法、单光子成像实验及应用等方面开展了系列研究。..相关研究进展和结果包括：.单光子成像算法方面：①开发了基于非定域深度卷积神经网络的高灵敏度、高抗噪能力、高速的计算成像算法（ECCV 2020, Spotlight Top 5%）。②系统地发展了基于亚像素扫描的超分辨单光子成像方法，大幅提升了单光子三维成像的空间分辨率（Optics Express 28, 4076, 2020）。.单光子成像实验及应用方面：①实验演示了国际上最远距离、所需光子数最少的单光子三维成像（Photonics Research 8, 1532, 2020; Optica 8, 344, 2021）。成像演示距离最远可达201.6km，打破了原有由英国研究小组在2017年创造的10km的成像距离记录，系列成果被Nature选为研究亮点，并在2020年被选为“中国光学十大进展”、“世界光学领域30项重大进展”等。②实验演示了户外日光条件下的远距离非视域成像，首次将非视域作用距离从米级提高到公里级，为非视域成像技术在实际场景中的应用开辟了道路（PNAS 118, e2024468118, 2021），相关成果被The Economist、New Scientist、人民日报、中国科学报等多个国内外媒体报道。