计算层析成像光谱既有传统成像光谱仪获取目标二维空间和一维光谱“图谱合一”的能力, 还具有高通量测量和免扫描特性, 在光谱成像领域拥有广泛应用场景并得到大量研究。 根据中心切片定理, 计算层析成像光谱仪性能主要受焦平面阵列探测器(FPA)和二维色散元件的性能制约, 以往研究主要在改进二维色散元件设计以增加衍射级次和投影角度以提高精确重建光谱所需的采样量。 从FPA二维色散投影测量入手, 提出并行压缩感知理论和计算层析成像光谱结合的方法, 构建并行压缩感知计算层析成像光谱模型, 利用低分辨FPA实现更高分辨率的色散投影测量, 最终实现高于传统计算层析直接测量的性能水平。 该研究为验证该成像光谱模型的正确性与可行性, 先选用高光谱数据集对色散投影直接测量模型进行了三光谱立方体到二维色散投影和并行压缩感知测量模型重建的仿真实验, 在仿真结果正确的前提下使用连续谱激光器和反射式数字微镜进行了相应的光学系统实验, 完成了投影矩阵的逐点精确标定, 并提出提高标定效率的并行标定方法, 将标定时间降低到单点标定的四分之一。 结果显示并行压缩感知计算层析成像光谱可以获得更高的光谱重建质量, 能获得高于FPA自身性能的高分辨光谱投影并大幅提高光谱重建质量, 验证了所提并行压缩感知计算层析成像光谱的正确性与可行性。

In this paper, we present an innovative method of double balanced differential configuration, in which two adjacent single photon avalanche diodes (SPADs) from the same wafer are configured as the first balanced structure, and the output signal from the first balanced stage is subtracted by the attenuated gate driving signal as the second balanced stage. The compact device is cooled down to 236 K to be characterized. At a gate repetition rate of 400 MHz and a 1 550 nm laser repetition rate of 10 MHz, the maximum photon detection efficiency of 13.5% can be achieved. The dark count rate is about 10^-4ns^-1at photon detection efficiency of 10%. The afterpulsing probability decreases with time exponentially. It is shown that this configuration is effective to discriminate the ultra-weak avalanche signal in high speed gating rates.

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题, 研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论, 利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制, 通过单光子点探测器收集光子, 以计数形式记录下光强值。然后, 利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验, 研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后, 引入了图像质量评价标准和系统信噪比, 分析对比了实验数据。结果表明, 当测量数高于信号总维度的19.5%时, 系统能完美成像, 信噪比可低至2.843 8 dB, DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106 count/s, 成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。