单像素成像技术优化及其在时间分辨成像中的应用研究

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基于压缩感知的单像素成像技术允许在低采样率下执行高精度的图像重建。因其具有探测灵敏度高与带宽大的优点,使其可对从近紫外到远红外甚至太赫兹波段响应,进而满足复杂环境(如非视距、穿透散射介质)的成像需求。时间相关的单光子计数技术(Time-Correlated Single Photon Counting,TCSPC)因具有高灵敏度和高精度的探测属性而备受关注。其以统计分析为基础的测量方式可通过记录光子数量以反映光强信息,避免对信号光强的直接测量,进而拥有较高的信噪比和近乎理想的探测效率。本文介绍了单像素成像与TCSPC在空间分辨与时间分辨方面的独特优势,探索利用单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)进行时间分辨单像素成像。为了提升单像素成像系统的采集效率,本文提出了根据调制平面感光区域集中度由高到低的Hadamard排序策略,仿真与实验证明该方法获得了较传统单像素成像方法更低采样率、更高质量的图像重建效果。最后,通过搭建皮秒级时间分辨的单像素成像系统完成了飞行光传播过程的反射与全反射现象视频成像记录,获得了4ps时间分辨、64*64像素分辨的图像序列。该方法突破了传统成像方法对空间分辨的限制,且增加了时间分辨信息以实现皮秒尺度的动态过程观测。
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