当光携带信息时，例如 激光雷达 对于激光雷达和其他成像技术而言，最好是拥有强信号，以便能够以最高保真度从载体中检测和提取信息。然而，由于多种原因，这种理想情况并非总是能够实现。在成像应用中，生物材料可能对强光敏感，而激光雷达测量通常发生在远距离，这会降低接收信号的强度。在这些情况下，精确快速地进行低强度成像的能力至关重要。在著名的激光雷达系统中，我们能够提供高质量的成像技术。 中国科学院大学 （UCAS），博士团队。 李明飞 正在努力提高低强度成像过程的成本效益和速度，使用专门设计的编码盘及时分散单个光子。对于光子检测，研究人员使用 Moku:Pro这是 Liquid Instruments 的一款基于 FPGA 的设备，可提供一套可重新配置的测试和测量仪器，实现快速、灵活的信号处理和分析。利用 Moku 时间间隔与频率分析仪 作为光子计数模块，它们可以快速解码该空间调制光中包含的关键数据。
面临挑战
为了测量低强度光信号，研究人员在开发 单光子探测器 （SPD）。这些器件具有极高的灵敏度和时间分辨率，能够以皮秒级的时间分辨率探测单个光子尺度的能量。一种利用SPD优势的互补技术——单像素成像（SPI）也应运而生。SPI并非使用SPD阵列来模拟传统成像系统，而是使用单个探测器，并从带有时间戳的光子流中重建图像。尽管取得了这些进展，但如何有效地调制光线以便使用SPI技术进行恢复仍然是一个问题。数字微镜器件（DMD）由数百万个微米级微镜阵列组成，可以快速开关，是空间光调制的常用方法。然而，这些器件的调制速率较慢，限制了物体成像的速度。中国科学院大学（UCAS）的研究团队设计了一种旋转编码盘作为调制源，可以快速调制光线。与基于DMD的系统相比，这种方法的实现成本也更低。然而，尽管这项技术前景广阔，但编码磁盘方法也带来了其自身独特的挑战，其中一些挑战是该团队通过 Moku 解决的。 时间间隔与频率分析仪.
解决方案
为了确定编码盘的有效性，该团队开发了图 1 所示的装置。 氦氖激光器 照射物体，然后透射光穿过旋转盘。该盘由两部分组成，以恒定速度旋转。盘的编码部分接收空间调制的光子，并及时将它们散开，以便单独检测。这些编码数据模式通过 LED 与检测器同步，LED 由盘外部的凹口进行光学斩波。“同步”光电二极管上产生的脉冲提供时钟信号，这帮助该团队克服了该技术的主要障碍之一——旋转速率的变化。
图 1：实验装置。(a) 成像装置，采用 Moku:Pro。(b) 旋转编码掩模的俯视图。红色方框：成像区域，绿色箭头：同步陷波。(c) 掩模的放大视图。为了进行检测，该团队使用了两个 SPD 器件。第一个是较为传统的器件。 单光子雪崩二极管 他们使用了工作频率范围为 400–1060 nm 的单光子雪崩二极管 (SPAD)。他们还使用了超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)，该探测器可在多个波长范围内工作，例如 1064 nm 或 1550 nm。这些器件的工作逻辑不同——SPAD 在检测到事件时输出 TTL 逻辑脉冲，而 SNSPD 和同步光电探测器 (PD) 则产生模拟电压。这种差异使得研究团队难以找到合适的计时器，因为传统的时间相关单光子计数 (TCSPC) 模块并非总是与来自超导 SPD 和 PD 的信号兼容。为了解决这个问题，研究团队部署了时间频率分析仪来计数并记录 SPD 检测到的事件的时间戳。论文的第一作者、研究生赵子清表示，可重构的 Moku 该平台具备多项优势，使其仪器对他们的研究极具吸引力。首先是能够改变事件阈值电压，这使得他们可以使用单个计数器进行数据采集，而无需考虑频率范围。“我们尝试过另一台时间相关单光子计数仪（TCSPC），但由于超导SPD振幅的变化，我们无法使用，”他说道。赵还表示，该仪器的触发延迟功能非常有用，因为它有助于补偿由于物理不稳定性导致的圆盘旋转周期的微小变化。这种旋转速度校正至关重要，因为它限制了之前使用类似装置的实验的性能。
结果
进行测量时，Moku 时间间隔与频率分析仪 同时在两个输入通道上记录事件：一个通道跟踪同步脉冲，另一个通道跟踪光子事件。然后为每个事件分配一个时间戳。数据收集后，使用 Moku 文件转换器将原始时间戳数据转换为 CSV 格式，并导入主机 PC 进行后期处理。赵使用了 Python 他编写了一个数据处理脚本，发现 Moku 简洁的数据格式化方式极大地简化了他的分析。“以前，我必须手动编写 C++ 代码来进行数据分析，”他说，“Moku 的数据打包和组织方式让这项工作效率大大提高。” 分析之后，该团队证明他们能够在极低的照度下（每像素每次旋转约半个光子）进行光子计数 SPI 成像。图 2 展示了他们的一个结果示例。利用他们的方法校正旋转速度，他们可以对数千个磁盘周期进行积分，从而提高图像的对比噪声比 (CNR)。如果不进行这种校正，由于速度波动，随着平均次数的增加，CNR 会变得更差。
图 2：采用 SPI 技术采集的重建图像，展示了多次循环积分的效果。CNR 随循环次数的增加而相应提高。该团队的实验证明了旋转编码掩模在成像应用中用于空间调制的潜力。与 DMD 相比，这些器件成本更低、体积更小，并且可以提供更高的刷新率以实现更快的成像速度。该团队的研究成果现已发表于 [1]。展望未来，赵表示，团队正在开发更多单光子探测实验，并且 Moku:Pro 仍将是他们的首选。
案例
[1] 赵自清、张月曦、宋佳琪、李明飞、吴令安，“基于快速旋转编码盘的光子计数单像素相机”，Opt. Lett. 50, 169-172 (2025)。