动物体进行成像。
[1] A. McCarthy et al., Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection, Opt. Express 21, 8904–8915 (2013). [2] Ahmed Kirmani et al., First-Photon Imaging, Science 343, 58-61 (2014)
基于单光子探测的深度成像系统
成像效果与 照明时间有 关，低照明 时间下成像 效果较差， 不利于实时 成像。
[1] A. McCarthy et al., Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection, Opt. Express 21, 8904–8915 (2013).
首光子成像
利用n(i, j)和t(i, j)重建图像
利用n(i, j)估计反射率 利用t(i, j)重建深度信息 对背景光造成的误差进行修正
（利用空间相关性），ROAD 绝对差值排序滤波算法
通过邻域的信息来判断光子是 来自信号光还是背景光
[1] Ahmed Kirmani et al., First-Photon Imaging, Science 343, 58-61 (2014)
首光子成像
多光子成像
利用统计直方图的高度与延时 信息
高度反映反射率，延时反映深 度
首光子成像
仅利用第一个到达的光子进行 成像
接收到第一个光子时已发射的 光子数目反映反射率
延时反映深度信息
[1] Ahmed Kirmani et al., First-Photon Imaging, Science 343, 58-61 (2014)
基于单光子探测的深度成像系统
基本方法：ToF飞行时间检测 系统主要说明
采用了1560nm光，该波段大 气吸收较多，背景噪声低
单光子探测器：超导纳米线 单光子探测器(SNSPD)
时间相关单光子计数模块 (TCSPC)
采用光栅扫描，对每一个像 素进行成像
[1] A. McCarthy et al., Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection, Opt. Express 21, 8904–8915 (2013).
基于单光子探测的探测系统
基本器件：单光子探测器
雪崩光电二极管(SPAD,APD) 首光子检测：盖革模式单光子探测器，具有高时间分辨率 超导纳米线单光子探测器
探测系统应用
实现厘米精度的1千米距离深度信息成像(接收光子量级为10)[1] 实现单光子成像(通过时间相关与空间相关)[2] 两种成像方式：光源扫描发射，逐点接收；光源直接照射，移
单光子探测的概率统计模型Βιβλιοθήκη 光子到达探测器的时间分布是 泊松分布
光子到达数量随时间的分布为 Gamma分布
延时代表了深度信息，幅度代 表了反射率信息
背景噪声同分布（环境光等）， 信号光不同分布，可利用时间 相关特性消除背景噪声影响 (TCSPC)
[1] Ahmed Kirmani et al., First-Photon Imaging, Science 343, 58-61 (2014)
基于量子检测的量子应用系统
单光子成像
普通成像与测距技术
普通照相机
胶片感光 CCD成像（光电效应）
ToF(Time of Flight)测距技术
通过飞行时间得到深度信息 还可结合传统拍摄，得到三维分布
有效成像每个像素需要采集上千个光子
100万像素，需要十亿个光子 在暗光、低反射率、长距离等情况受限
using picosecond resolution time-correlated single-photon counting, Meas. Sci. Technol. 11(6), 712–716 (2000).
谢谢！
首光子成像
基本系统：
盖革模式雪崩光电二极管，具 有高时间分辨率
发射周期性激光脉冲，光栅扫 描，对每一个像素进行成像
利用白炽灯照射作为环境光 时间相关获得首光子到达时间，
得到首光子到达前发射光脉冲 数量n(i, j)以及首光子相对对应 脉冲延时t(i, j)
[1] Ahmed Kirmani et al., First-Photon Imaging, Science 343, 58-61 (2014)
低照明时间等反射光极弱的情况下，仍能保证较高的成像精度
单光子探测受环境光等噪声影响很大，可以通过时间相关以 及空间相关的方法对噪声进行滤除，重建信息
其他参考资料
Vivek K Goyal, First-Photon Imaging andOther Imaging with Few Photons, Boston University S. Pellegrini, G. S. Buller, J. M. Smith, A. M. Wallace, and S. Cova, Laser-based distance measurement
首光子测距
利用同样的原理，也可以实现首光子测距，原理类似于激光 雷达
但是多个探测器所发射出的信号会造成干扰 每一个探测器都对自己所发出的脉冲加一个时间上的随机扰
动，接收信号时，只有自己发射出并返回的脉冲会与自己发 射出的脉冲有相关性
总结
利用单光子探测，可以实现较高精度的成像与测距 基于单光子探测的优势在于可以在低反射率、远距离、低功率、
基于单光子探测的深度成像系统
发射出探测脉冲时，给 TCSPC模块发送开始信号
SNSPD模块检测到单光子脉 冲时，发送停止信号
每一个像素得到对应的光子 到达时间分布直方图，计算 机进行处理，通过互相关算 法，找到信号的峰值，从而 得到深度信息。
[1] A. McCarthy et al., Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection, Opt. Express 21, 8904–8915 (2013).