一种高动态光子计数单像素成像装置及方法

1.一种高动态光子计数单像素成像装置，其特征在于，所述高动态光子计数单像素成像装置包括激光发射组件、分束组件、第一成像组件、第二成像组件及时间相关单光子计数成像组件；所述激光发射组件用于发射脉冲激光至待成像目标物；所述待成像目标物反射出含有目标物信息的光至所述分束组件；所述分束组件用于将接收到的含有目标物信息的光分为透射光及反射光，并将所述反射光送至所述第一成像组件，将所述透射光送至所述第二成像组件；所述第一成像组件用于对接收到的反射光进行探测和计数，并将生成的第一脉冲信号发送给所述时间相关单光子计数成像组件；所述第二成像组件用于对接收到的透射光进行调制、探测和计数，并将调制信息及生成的第二脉冲信号发送给所述时间相关单光子计数成像组件；所述第一成像组件包括依次设置的第一汇聚透镜及第一单光子探测器；所述第一汇聚透镜用于将接收到的反射光汇聚至所述第一单光子探测器；所述第一单光子探测器用于探测经由所述第一汇聚透镜汇聚的光信号，并转换为第一脉冲信号，然后将所述第一脉冲信号发送给所述时间相关单光子计数成像组件；所述第二成像组件包括光学成像部件、空间光调制器、光学会聚耦合组件及第二单光子探测器；所述光学成像部件用于将接收到的透射光成像至所述空间光调制器；所述空间光调制器用于对接收到的成像光进行调制，并将调制信息发送给所述时间相关单光子计数成像组件；调制后的光反射至所述光学会聚耦合组件，并由所述光学会聚耦合组件耦合收集至所述第二单光子探测器；所述第二单光子探测器用于探测经由所述光学会聚耦合组件回波的光信号，并转化为第二脉冲信号，然后将所述第二脉冲信号发送给所述时间相关单光子计数成像组件；所述时间相关单光子计数成像组件用于：对所述第一脉冲信号及所述第二脉冲信号进行累计，以得到对应的标定信号及图像信号；采用所述标定信号对所述图像信号进行标定，然后基于标定后的图像信号及所述调制信息进行目标物图像重建。 2.根据权利要求1所述的高动态光子计数单像素成像装置，其特征在于，所述光学会聚耦合组件包括一个石英材质平凸透镜和一个光纤耦合器。 3.根据权利要求1所述的高动态光子计数单像素成像装置，其特征在于，所述空间光调制器中以哈达玛Hadamard矩阵作为调制编码。 4.根据权利要求1所述的高动态光子计数单像素成像装置，其特征在于，所述时间相关单光子计数成像组件包括依次设置的时间相关单光子计数器及成像部件；所述时间相关单光子计数器与所述空间光调制器连接，所述时间相关单光子计数器用于：获取所述空间光调制器的调制信息；对所述第一脉冲信号及所述第二脉冲信号进行累计，以得到对应的标定信号的模拟值及图像信号的模拟值；所述成像部件与所述时间相关单光子计数器连接，所述成像部件用于：将所述图像信号的模拟值除以所述标定信号的模拟值，以得到标定后的图像信号；根据标定后的图像信号及所述空间光调制器的调制信息，进行目标物图像重建。 5.根据权利要求1所述的高动态光子计数单像素成像装置，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器，所述激光器的工作波长范围为400nm~2700nm，所述激光器的重复频率为40MHz，所述激光器的平均功率范围为0W-4W。 6.一种高动态光子计数单像素成像方法，其特征在于，所述高动态光子计数单像素成像方法包括：通过激光发射组件发射脉冲激光至待成像目标物；所述待成像目标物反射出含有目标物信息的光至分束组件；其中，所述激光发射组件在成像过程中随机调整激光功率到预设功率范围内，以模拟动态光源；通过所述分束组件将接收到的含有目标物信息的光分为透射光及反射光，并将所述反射光送至第一成像组件，将所述透射光送至第二成像组件；通过所述第一成像组件对接收到的反射光进行探测和计数，并生成第一脉冲信号；通过所述第二成像组件对接收到的透射光进行调制、探测和计数，并生成第二脉冲信号；通过时间相关单光子计数成像组件对所述第一脉冲信号及所述第二脉冲信号进行累计，以得到对应的标定信号及图像信号；通过所述时间相关单光子计数成像组件采用所述标定信号对所述图像信号进行标定，然后基于标定后的图像信号及调制信息进行目标物图像重建；所述第一成像组件包括依次设置的第一汇聚透镜及第一单光子探测器；所述第一汇聚透镜用于将接收到的反射光汇聚至所述第一单光子探测器；所述第一单光子探测器用于探测经由所述第一汇聚透镜汇聚的光信号，并转换为第一脉冲信号，然后将所述第一脉冲信号发送给所述时间相关单光子计数成像组件；所述第二成像组件包括光学成像部件、空间光调制器、光学会聚耦合组件及第二单光子探测器；所述光学成像部件用于将接收到的透射光成像至所述空间光调制器；所述空间光调制器用于对接收到的成像光进行调制，并将调制信息发送给所述时间相关单光子计数成像组件；调制后的光反射至所述光学会聚耦合组件，并由所述光学会聚耦合组件耦合收集至所述第二单光子探测器；所述第二单光子探测器用于探测经由所述光学会聚耦合组件回波的光信号，并转化为第二脉冲信号，然后将所述第二脉冲信号发送给所述时间相关单光子计数成像组件。 7.根据权利要求6所述的高动态光子计数单像素成像方法，其特征在于，所述第二成像组件包括空间光调制器；所述时间相关单光子计数成像组件包括依次设置的时间相关单光子计数器及成像部件；通过所述时间相关单光子计数成像组件采用所述标定信号对所述图像信号进行标定，然后基于标定后的图像信号及调制信息进行目标物图像重建，包括：通过所述时间相关单光子计数器获取所述空间光调制器的调制信息；通过所述时间相关单光子计数器对所述第一脉冲信号及所述第二脉冲信号进行累计，以得到对应的标定信号的模拟值及图像信号的模拟值；通过所述成像部件将所述图像信号的模拟值除以所述标定信号的模拟值，以得到标定后的图像信号；通过所述成像部件根据标定后的图像信号及所述空间光调制器的调制信息，进行目标物图像重建。 8.根据权利要求7所述的高动态光子计数单像素成像方法，其特征在于，所述高动态光子计数单像素成像方法还包括：通过所述成像部件对重建得到的目标物图像进行可视化展示。