基于门控光子计数的双波长单像素三维成像系统及其在极弱光条件下的应用研究

本文创新性地提出了一种基于门控光子计数技术的紧凑型双路径单像素成像(SPI)系统，通过同步1064 nm和532 nm脉冲激光实现双波长三维深度成像。该系统在亚皮瓦级光子通量下，同时具备近红外(NIR)和可见光(VIS)波段的二维切片成像与飞行时间(TOF)深度成像能力，空间分辨率达2 mm，纵向分辨率12 cm（工作距离1.5 m）。相比传统光子计数LiDAR或单波长SPI系统，该系统显著提升了光子利用率和环境适应性，为遥感、夜视成像及量子传感等领域提供了新型成像解决方案。

　　

Highlight

实验装置

图1(a)(b)展示了多角度观测的实验光路与核心组件（设备参数见表1）。我们构建的光子计数双通道检测系统包含三大模块：光学发射路径、收集路径和耦合路径。系统采用同轴设计实现照明与探测视场共享，通过空间光调制器(DMD)实现结构化探测。

基于SPAD的光子计数原理

在探测极弱短时光学信号时，单光子雪崩二极管(SPAD)工作于单光子响应模式。每个输出脉冲的上升沿精确对应光子到达时间，但由于单周期内光子检测概率极低，系统需通过时间相关单光子计数(TCSPC)技术累计数百万周期数据实现有效探测。

双波长SPI系统性能

通过三组不同尺寸测试靶标量化系统分辨率。在300 Hz帧频调制下，系统可清晰分辨0.3 cm间距的条形靶标和0.4 cm宽度的六边形结构。实验证明，64×64像素的VIS和NIR图像分别仅需约1秒和5秒即可重建，且在亚皮瓦量级光强下仍保持优异成像性能。

结论与讨论

本研究验证了基于光子计数的双波长SPI系统可同步实现3D-VIS/NIR成像。该系统在1.5米距离下达成2 mm空间分辨率和12 cm纵向分辨率，相比传统系统具有更高光子效率和环境适应性。NIR通道在散射介质中穿透性优异，而VIS通道空间分辨率突出，双通道融合有望显著提升复杂环境成像性能。