本发明涉及单光子时间分辨成像光谱的技术领 域， 特别涉及一种时间分辨单光 子或极弱光多维成像光谱系统及方法。 背景技术

本发明是基于前人工作的改进和创新， 在该领域， 本研究所已有两份专利： 《一 种单光子计数成像系统及其方法》（申请号或 专利号： 201110103559.3， 申请人或专 利权人： 中国科学院空间科学与应用研究中心） 和 《一种极弱光多光谱成像方法及 其系统》 （申请号或专利号： 201110166471.6， 申请人或专利权人： 中国科学院空间 科学与应用研究中心）， 这两篇专利是本所前人所做工作， 其特征在于， 两者都是基 于压縮传感理论、 空间光调制技术和单光子探测技术， 用于单光子计数成像， 区别 在于前者仅以单光子探测器作为探测元件， 实现了单光子级别的极弱光对象的二维 成像， 后者则以单光子计数器线阵为探测元件， 配合以分光光度计， 实现了单光子 级别的极弱光多光谱彩色成像。 两者共同的不足在于， 仅能对静态物体成像， 缺乏 光强分析、 时间分辨和空间三维分辨， 仅做算法模拟， 没有考虑系统噪声的影响， 实际重建精度差， 没有解决计数系统与 DMD的同步问题， 尚存在一定技术上的缺 陷。 为解决时间分辨问题和多维参量探测并成像的 问题， 本发明提出一种时间分辨 单光子或极弱光多维成像光谱系统及方法， 以解决上述一系列的缺陷。

所谓时间分辨就是分辨时间维度上的间隔， 而超高时间分辨即指在观察物理和 化学的瞬态过程并能分辨其时间， 在液相中， 很多物理和化学过程， 如分子的顺- 反异构和定向弛豫、 电荷和质子的转移、 激发态分子碰撞预解离、 能量传递和荧光 寿命以及电子在水中溶剂化等， 仅需 ¹⁰ — ^§ 秒就能完成， 只有通过皮秒的时间分辨精 度的分析仪器才有可能及时地观察这些极快的 过程。 在本发明中， 就想在大尺度或 极短的时间间隔内进行单光子探测并计数采样 。

此外， 当前国际现阶段用于瞬态极弱光 （如荧光寿命） 测量的技术主要有单分 子探测技术、 时间分辨技术和超分辨率测量技术。其中 （1 )单分子探测技术主要有 宽场共聚焦荧光显微技术、 扫描近场光学显微 (SNOM)技术、 全内反射荧光显微 (TIRF)技术、 原子力光学显微 (AFOM)和拉曼散射技术； （2)时间分辨技术主要有荧 光寿命成像 (FLIM)、双光子荧光寿命显微成像、荧光寿命相 关光谱 (FCS)技术和多维 度荧光寿命显微技术；（3 )超分辨率测量技术主要有受激发射损耗显微 (STED)技术、 位置敏感显微 (PALM、 STORM dSTORM、 GSDIM)技术、 光学涨落显微 (SOFI)技 术和荧光共振能量转移显微技术 (FRET)。 对于生物大分子的荧光寿命成像及相关光 谱定量测量方法是， 先用 FLIM或 FCS系统进行单点荧光寿命及相关光谱测量， 然 后，采用激光束扫描或样品扫描系统进行生物 大分子荧光寿命及相关光谱成像测量。 由于纳米位移扫描平台的稳定性差、 扫描过程复杂， 不仅增加了制造成本， 也极大 延长了纳米材料和生物大分子的测试时间， 成功率也受到显著影响。 对于纳米材料 高分辨率显微结构成像测量方法， 通常是采用电子扫描显微镜进行图形表征， 由于 高能电子电离会损伤被测样品，无法进行生物 活性分子及纳米材料的无损成像测量。 上述这些技术的通病是无法同时对观测对象进 行空间荧光寿命测量和相关光谱分析 工作。 随着科研的需求逐渐向高空间分辨、 高时间分辨、 多波段、 探测快速、 光子 激发等方向发展， 这些功能越发显得无法满足日益增长的实际需 求。

据 2011年 8月 Future Markets, Inc.禾口 Global Industry Analysts, Inc.2011年 2月的 全球光学显微市场分析报告， 预测到 2017年为止全球光学显微市场年收益超过 41 亿美元。 当前和未来新市场对先进、 高分辨率、 高精度显微成像的需求不断增长， 且半导体和电子、 工业、 微机电系统、 生物医学和制药、 纳米技术和纳米材料研发 领域的技术进步极大促进了相关仪器的市场需 求增长。 总之， 时间分辨成像光谱具 有诱人的市场发展前景， 可大大促进相关产业的发展。 在物理与化学研究中的纳米 材料、 晶体材料、 材料的无损检测、 量子点系统、 光子晶体、 高速现象检测、 高分 辨光谱测量、 量子化学基础科学研究， 以及生物物理学研究中的医疗诊断、 单分子 生物物理、 纳米生物效应、 分子仿生学、 脑功能与认知、 蛋白质组学等生物物理科 学的前沿问题也亟待这种新型成像系统和方法 来实现多学科、 多参数、 多尺度定量 研究的突破。 大量的生命科学、 材料科学、 化学、 能源科学的研究必不可少地需要 了解研究对象中所包含的成份以及成份的变化 ， 成像光谱分析是获得成份分析最有 效的无损分析手段之一； 所研究的成份是在什么地方分布， 如何发生成份的变化， 即成份变化的空间分布信息， 借助于成像光谱分析可以实现这种研究需求； 随着现 在科学研究发展， 人们不仅需要知道成份的空间分布信息， 而且要知道成份随时间 变化的过程， 尤其是成份变化过程中是否有中间产物、 中间产物形成过程、 湮灭和 作用机理， 对成像光谱提出了时间分辨的要求； 为了达到定成份、 定量、 定时、 定 位的四定目标， 无论从哪个方案出发都会遇到两个关键性技术 障碍： 维度问题和灵 敏度问题。 现有的成像光谱技术必须将一维光谱、 二维平面图像中的任何一维， 以 辅助扫描的方式来实现。 这种工作方式带来的弊端是采样时间必须给扫 描留出充分 的空间， 不仅如此， 平面传感器由于是大量的光敏探测单元组成， 超高的时间分辨 目标无论在电子学还是器件本身都难以实现。 现有国际上标称具有时间分辨成像光 谱功能的仪器实施方案可以分为二类： 方案一、 在时间分辨光谱仪的基础上增加二 维空间扫描实现， 该方案的弊端在于时间分辨和空间扫描之间的 时间冲突造成了效 率低下， 整体性能难以满足更高的科研需求； 方案二、 在图像光谱仪的基础上增加 时间分辨功能或者在单光子显微成像基础上增 加光学通道实现， 该方案的弊端在于 时间分辨能力难以提高， 无法达到时间分辨光谱的时间要求， 应用范围非常有限。

从研究对象的光学信号强度角度分析， 光谱仪功能引入空间分辨， 意味着光传 感器所能捕获的来源信号的降低， 时间分辨测量的要求会引起来源光信号的进一 步 降低， 而研究对象的浓度越低， 探测器所需要捕获的荧光信号也随之降低， 探测器 的灵敏度是时间分辨成像光谱仪关键性能， 探测器灵敏度越高， 设备性能也越高， 单光子探测器能够探测光最小能量， 是光学探测的极限， 单光子探测技术一直是时 间分辨成像光谱仪的最终追求。

正因为原理和现有探测技术的条件制约， 只有依赖于新原理、 新方法才有可能 实现真正意义上的时间分辨单光子多维成像系 统， 本发明采用了数学研究的最新成 果一压縮感知理论， 结合现代成熟技术条件， 以一个单光子点探测器实现二维空间 分辨测量， 毫无疑问， 这种方法会节约两维空间分布中的一维， 无论在探测灵敏度、 波长范围较面元探测器具有更明显的优势， 灵敏度极高、 高通量测量、 信噪比高、 波长相应范围宽且成本低廉， 利用点探测器实现单光子计数成像必将成为未 来单光 子水平成像的重要发展趋势。 而单光子计数成像就是一种极弱光探测技术， 通过记 录光子计数以及探测到光子的概率表征光强分 布来反演图像。

以线阵或阵列盖革模式单光子探测器， 就可以实现成像光谱， 在时间分辨上可 以实现到皮秒分辨精度， 在灵敏度上达到单光子探测水平， 在空间分辨达到纳米尺 度， 实现真正意义上的单光子时间分辨成像光谱， 与传统的成像光谱存在本质上的 差异。 其中， 所述成像光谱是获得和显示精确光谱信息的重 要技术， 光谱图像包含 了更多的光谱信息， 且多光谱成像技术很好地克服了同色异谱现象 。 而所述单光子 是一种极弱光， 被认为是光不可分割的最小能量单位。 该离散脉冲信号是可以探测 的极限，通常采用单光子探测器进行探测。计 数型的单光子探测器工作在饱和状态， 灵敏度可以到达单光子水平， 采用统计学方法获得光子密度图像； 若工作在亚饱和 状态， 输出的电信号幅值随探测到的光子数的变化而 变化， 据此电信号获得极弱光 图像。 该单光子计数方法采用脉冲甄别技术和数字计 数技术把极其微弱的自然离散 信号识别并提取出来， 受不稳定因素的影响较小， 可消除大部分探测器热噪声的影 响， 从而大大提高信噪比， 输出数字信号。

本发明的理论基础为压縮传感理论和空间光调 制器技术， 现有技术的压縮传感 理论和空间光调制器技术具体描述如下：

压縮感知原理是由 Donohc Tao和 Canc½s等人提出的一个全新数学理论， 实 现以随机采样的方式、 更少的数据采样数 （远低于奈奎斯特 /香农采样定理的极限） 来完美地恢复原始信号， 且具有更高鲁棒性。 该原理主要分为三步骤： 压縮采样、 稀疏变换与算法重建。 其中， 压縮采样， 是被测信号由高维向低维映射与采集的过 程， 所述的稀疏变换是选取合适的 Ψ， 使得； c经 Ψ变化所得值； c '是稀疏的， 即； c可 在 Ψ框架下可稀疏表达，所述的算法重建是在已� ��观测数据 y、测量矩阵 A和框架 Ψ 的条件下求解 c。

所述空间光调制器 （Spatial Light Modulator, 简称 SLM) 是一类能将信息加载 于一维或两维的光学数据场上并实时光学信息 处理的器件， 可在随时间变化的电驱 动信号或其他信号的控制下， 改变空间上光分布的振幅或强度、 相位、 偏振态以及 波长， 或者把非相干光转化成相干光。 其最典型的代表是数字微镜器件 （Digital Micro-mirror Device, 简称 DMD)， 这是世界上最精密的光开关。 DMD的核心是由 成千上万个安装在铰链上的微反射镜组成的微 镜阵列 （主流的 DMD 由 1024x768 的阵列构成，最大可至 2048x 1152)，每一镜片的尺寸为 14μηιχ 14μηι (或 16μηιχ 16μηι) 并可以通断一个像素的光， 这些微镜皆悬浮着， 通过对每一个镜片下的存储单元都 以二进制平面信号进行电子化寻址， 便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜 10〜12° 左右 （这里取 +12°和 -12°)， 把这两种状态记为 1和 0， 分别对应 "开"和 "关"， 当 镜片不工作时， 它们处于 0°的 "停泊"状态。 发明内容

本发明的目的在于， 为了在纳米尺度和皮秒尺度下， 定成份、 定量、 定时、 定 位地 "看到"并分析研究对象中所包含的成份以及成� ��的运动变化规律， 解决维度 增加所带来的维度问题和灵敏度问题， 结合可见光和近红外光的点及阵列单光子探 测技术、 时间分辨测量技术、 空间光调制技术、 压縮传感理论、 单光子计数成像技 术、 成像光谱技术、 重建算法技术， 实现在极弱光单光子水平上对反射、 散射或透 射物体的具有空间二维、光强、 时间分辨、光谱分辨五维参量信息的成像光谱 测量， 进而提供一种时间分辨单光子多维成像系统及 方法， 以推动国际相关领域的发展。 本发明提出一种时间分辨单光子计数二维成像 系统， 该系统基于压縮传感原理 能够使采用触发器触发的极弱光源照射物体得 到的成像光谱实现秒级分辨精度， 进 而用于对随时间动态变化的物体成像，输出按 时间序列排列的连续灰度视频图像帧， 所述系统包含：

触发器、 光学成像系统、 DMD 微镜阵列、 光学聚焦收集系统、 光衰减器、 单 光子计数器、 驱动控制模块和最优化算法模块；

所述触发器由位于其前端的极弱光触发源触发 ， 该触发器输出端与驱动控制模 块的输入端相连， 当触发器被触发时驱动控制模块将输出驱动控 制信号触发与其输 出端相连的 DMD微镜阵列和单光子计数器开始工作， 则该 DMD微镜阵列开始翻 转， 单光子计数器同时开始计数， 光衰减器用于对光强度进行衰减， 光学聚焦收集 系统用于对光线的聚焦收集， 单光子计数器是对光进行单光子计数；

所述单光子计数器的输出端与所述最优化算法 模块的一个输入端相连， 将单光 子计数器的计数值作为最优化算法模块的一个 输入参数， 所述最优化算法模块的另 一输入端与所述驱动控制模块的一输出端相连 ， 用于接收该驱动控制模块存储的选 定区域的随机测量矩阵作为其另一输入参数； 所述最优化算法模块根据输入的单光 子计数器的测量值与所述随机测量矩阵重建出 稀疏信号， 并反演出光子密度图像， 经过 M个 t时间间隔， 就能重建出按时间序列排列的可时间分辨的一 系列二维灰度 图像视频帧；

所述 DMD微镜阵列为数字微镜器件；

其中， 所述驱动控制模块的另一输出端与所述 DMD微镜阵列的输入端相连， 用于驱动控制 DMD微镜阵列的翻转； 该驱动控制模块基于 DLP数字光处理技术， 该驱动控制模块在选定 DMD微镜阵列工作区域后， 下载伪随机测量矩阵驱动控制 所述 DMD微镜阵列的翻转； 所述 DMD微镜阵列在翻转的同时会向所述单光子计 数器发送同步信号， 保证 DMD微镜阵列与单光子计数器之间同步， 即 DMD微镜 阵列每翻转一次， 单光子计数器累积计数在该次翻转的时间间隔 内的光单子数， DMD 微镜阵列翻转完成后， 单光子计数器清零重新开始累积计数， 所有计数和该 选定区域的随机测量矩阵均传送至最优化算法 模块中。

上述技术方案中， 当用于彩色成像时， 所述单光子计数器用单光子技术线阵替 换， 且所述单光子计数线阵和光学聚焦收集系统之 间的光路上设置有分光光度计。

上述技术方案中， 所述光学成像系统和光学聚焦收集系统均采用 光学透镜组， 分别负责光学成像和光学聚焦， 极弱光通过光学成像系统后， 可在 DMD微镜阵列 上成等大或縮小或放大的像， 按实际需求进行成像调整。

上述技术中， 所述光学聚焦收集系统采用光纤耦合技术， 即将经由所述分光光 度计分光后的光束耦合到光纤中， 利用光纤耦合技术将分光分别收集到对应的单 光 子计数器上；

所述分光光度计包含： 光准直部分、 分光部分、 角度测量部分、 光度观察和测 量部分， 用于光谱分析和测量；

其中， 所述分光光度计为棱镜分光光度计或光栅分光 光度计。

本发明还在此基础上扩展成一种时间分辨单光 子多维成像系统， 该系统同样基 于压縮传感原理， 通过激光脉冲激发物体荧光， 得到光强分布和成像光谱， 并利用 时间分辨策略实现高达皮妙级时间分辨精度， 进而能够用于对荧光寿命等瞬态周期 性物质进行探测， 所述系统包含：

光源、 成像光谱测量单元、 电学探测单元、 系统控制单元、 处理单元； 所述光源在系统控制单元发送的触发脉冲的触 发下， 发出激光脉冲， 打在待测 物体， 该物体激光出携带该物体信息的荧光；

所述成像光谱测量单元， 用于将携带待测物体信息的光成像在空间光调 制器 ( SLM) 上， 该空间光调制器 （SLM) 采用随机光调制并反射其上的成像， 且反射 光经由布设于光路上的会聚收光部件准直后入 射到电学探测单元中；

所述电学探测单元， 用于依据时间分辨策略探测入射光并记录下入 射光的光子 数， 并记录各个光子到达的时间维度信息；

所述处理单元， 用于依据输入的所有各个时间段的光子数、 光子的到达时间的 维度信息及所述随机光调制矩阵信息， 利用压縮传感和成像光谱算法实现多参量信 息的成像光谱重构， 并进行输出八种成像；

所述系统控制单元， 用于包括各部件的使能， 即发送驱动使能信号发给上述各 部件使其开始正常工作； 并实现对光源触发脉冲和光子计数的同步； 且用于控制微 镜阵列的翻转和其上随机矩阵的更替并在瞬态 周期开始前或结束后进行相应调整； 其中， 所述空间光调制器通过随机数发生器加载伯努 利二值随机矩阵， 实现对 光的随机光调制； 所述时间分辨策略对于非周期变化的长时间序 列过程采用逐帧测 量的方法； 对于具有周期变化特性的瞬态过程， 采用优化的时间分辨策略， 该优化 的时间分辨策略具体为： 将瞬态过程的周期切为分若干探测子时间段， 点及阵列单 光子探测器在该探测子时间段对待测对象进行 探测， 记录下其光子数和光子当到达 时间的维度信息， 最后以各个最小时间单位作为重构的对象。

所述的时间分辨单光子多维成像系统， 其特征在于， 所述电学探测单元进一步 包含：

随机数发生单元， 用于产生对空间光调制器 （SLM) 进行调制的随机数， 且该 随机数发生单元通过采集自然界的随机源作为 随机数源， 对真随机数进行处理获取 随机数并输出至空间光调制器 （SLM);

高精度时间间隔测量仪， 用于将探测时间进行时长划分， 用于记录在时间坐标 系中两个时刻之间的持续时间， 得到时间维度信息， 精度能控制在皮秒量级；

点及阵列单光子探测器， 该探测器由若干个对应不同波长的雪崩二极管 组成， 所述雪崩二极管工作在盖革模式下， 能够根据需求对其中部分雪崩二极管进行使能 设置， 用于探测非周期变化的长时间序列过程中每帧 内到达的光子和探测瞬态周期 性过程中每个周期中预先设定的时间段内到达 的光子， 并输出以脉冲波形， 该预先 设定的时间段为所述周期持续时长的子集；

多通道计数器， 用于甄别和累计脉冲尖峰个数， 记录下点及阵列单光子探测器 各个通道所探测到的光子数和光子到达时间；

延时器， 用于在某个瞬态周期内发送对激光脉冲的控制 信号的同时， 进行针对 点及阵列单光子探测器或高精度时间测量仪的 使能门控信号的发送或门宽上升沿延 时某一时间段发送， 该延时的时间段能够作为对应瞬态周期内的点 及单光子探测器 探测时间子段， 该时间分辨精度为 20ps;

其中， 所述延时器能够用时长划分模块替换， 所述时长划分模块用于将瞬态周 期等分为若干时间子段， 并用每个时间子段作为点及阵列单光子探测器 及多通道计 数器进行探测和计数的时长单位， 该时间分辨精度为 50ps;

所述时长划分模块或延时器还能够由设置于多 通道计数器内的时间幅度变换器 替换， 该时间幅度变换器用于将获得的光子的时间转 化为电压形式并记录在对应通 道中， 并按光子到达时间将光子数分段划分， 统计得到一个周期内各时间间隔内的 多段累积计数， 时间分辨精度为 5ps。

所述时间分辨单光子多维成像系统还包含设置 于会聚收光部件与所述点及阵列 单光子探测器光路上的光栅分光部件， 该光栅分光部件在分光前先利用凹面镜将入 射光线准直使其变成平行光， 在分光后利用透镜将各波长光分别准直会聚到 相应通 道的雪崩二极管上， 用于获取光谱维度信息， 即获取各个波长下的光强信息， 用于 包含光谱波长参量的图像重建； 且光栅分光有零级衍射、一级衍射、二级衍射 ……， 所述零级衍射是原像， 其余级的衍射都是光谱， 一级衍射光谱最亮， 可对一级衍射 光谱进行探测， 或对多级衍射光谱分别探测再利用光栅衍射公 式得到总的光强波长 分布；

其中， 所述点及阵列单光子探测器设置于该光栅分光 部件的焦平面上。

上述技术方案中， 所述处理单元进一步包含：

数据读写存储器， 用于存储输入的各个子时间段、 各帧或各使能门控信号时间 段内的光子数及各光子到达时间的维度信息、 相应的随机矩阵和探测器各通道所对 应的波长信息， 从而起到读写与缓存的作用；

算法处理单元， 该单元用于基于输入的多通道计数器的计数值 、 控制空间光调 制解调器的随机矩阵、 延时器或时长划分模块或时间幅度变换器记录 下的时间维度 信息和探测器各通道所对应的波长信息重构图 像， 进而输出下列 8种成像：

①当用于输出单光子二维成像 I (x， y) 时， 该算法处理单元依据输入计数值、 随机矩阵参量， 针对各种不同图像类型采用不同稀疏框架， 采用压縮传感算法进行 重建， 并结合矩阵填充理论对图像进行后期处理； 其中， 压縮传感算法包括贪心重 建算法、 匹配跟踪算法 MP、 正交匹配跟踪算法 OMP、 基跟踪算法 BP、 LASSO LARS、 GPSR、 贝叶斯估计算法、 magic、 1ST、 TV、 StOMP、 CoSaMP、 LBI、 SP、 ll_ls、 smp算法、 SpaRSA算法、 TwIST算法、 /。重建算法、 重建算法、 / ₂ 重建算 法等；

②当用于输出单光子二维成像光谱 I (x， y， λ) 时， 在①的基础上加入探测器 各通道所对应的波长信息，得到各波长下的光 强空间分布图像，可用于成像光谱仪， 另外取红绿蓝三原色下的光强空间分布便可成 彩色像；

③当用于输出单光子时间分辨二维成像 （如荧光寿命） I (x， y， t) 时， 在① 的基础上加入光子到达时间的维度信息， 对各子时间段内的对象进行图像重建， 恢 复出全时长内的图像动态变化过程；

④当用于输出单光子时间分辨二维成像光谱 I (x， y， λ， t) 时， 在②的基础上 加入光子到达时间的维度信息，对各子时间段 内的各波长光下的对象进行图像重建;

⑤当用于输出单光子三维成像 I (x， y， z) 时， 针对大尺度时间和不激发荧光 的待测对象， 在③的基础上利用光子到达的时间间隔换算出 空间位置的光程差， 即 空间第三维远近信息， 是时间分辨维度的衍生物和子集， 这样得到若干层对应不同 空间远近距离的图像帧；

⑥当用于输出单光子三维成像光谱 I (x， y， z, λ) 时， 在⑤的基础上加入探 测器各通道所对应的波长信息， 得到各波长下的光强空间三维分布；

⑦当用于输出单光子时间分辨三维成像 I (x， y， z, t) 时， 在⑤的基础上鉴别 并区分大尺度空间第三维远近信息和瞬态周期 的子时间段维度信息， 前者时间长度 大于后者， 进而恢复出时间分辨三维成像；

⑧当用于输出单光子时间分辨三维成像光谱 I (x， y， z, λ， t) 时， 在⑥的基 础上鉴别并区分大尺度空间第三维远近信息和 瞬态周期的子时间段维度信息， 最终 得到时间分辨三维成像光谱。

所述压縮传感该原理主要分为三步骤： 压縮采样、稀疏变换与算法重建。其中， 压縮采样， 是被测信号由高维向低维映射与采集的过程， 所述的稀疏变换是选取合 适的稀疏框架的过程，所述的算法重建是在已 知观测数据 y、测量矩阵 A和框架 ψ的 条件下恢复出信号的过程。

根据压縮传感理论， 微镜阵列需对携带可压縮的观测对象信息的光 进行随机反 射， 当微镜阵列中单个微镜 +12°翻转时反射的光被点及阵列单光子探测器� ��收， 当 微镜阵列中单个微镜 -12°翻转时反射光不能被点及阵列单光子探测� ��接收， 从而完 成被对被测信号的压縮采样， 同时确保微镜阵列明暗矩阵的真随机性， 进而控制极 弱光被反射至会聚收光部件的概率是随机的。

数学模型如下：

假设； c e Rw是被测数据， _{y e} ^是观测数据， A e R^w是随机投影矩阵

( « Λ ， e e ^是系统噪声， 为 c中的非零元素的个数， 也称稀疏度， 那么， 压縮采样的过程可以描述为 （1 ) 式： y = Ax + e ( 1 ) 如果; C是可压縮或可稀疏表达的，则 χ =∑ χ^， Ψ = [^,^, 是稀疏变换矩 阵， 那么 （1 ) 式变化为 （2) 式： γ = ΑΨχ'+ β (2) 其中 满足 RIP准则； A与 Ψ越不相关， 采样所需的测量数^:越小， 计算量越 小， 所以在本发明中， （2) 式中 Ψ为框架， A为随机测量矩阵。

令二维图像的像素总数为 N， 则（1 )式中的测量矩阵则为 Α = [ _βι , _β2 ,..., _βίν ]， 是

Α的第 行， 将 pxg像素的二维图像的列首尾相连， 化成 Nx l (其中 N=pxg) 的一 维列向量， 对应 （1 ) 式中的; c， 其中的每一个元素代表相应位置处的光子强度 。 令 每次翻转时微镜阵列的行首尾相连，化成 l xN的一维行向量，对应测量矩阵 A中的 一行， 其中的每个元素代表相应位置处微镜是否向会 聚收光部件的主轴方向翻转， 而测量矩阵 A共计 M维， 即 M行 N列的矩阵。

系统控制单元使微镜阵列开始随机翻转， 每次点及阵列单光子探测器探测到的 光子数记为 N， 相当于光子强度图像与微镜阵列的随机测量阵 列之间的内积值， 对 应于 （1 ) 式中观察向量 y的一个元素， χ. = ^Α 式中， 重复 次测量， 就可以 得到整组观测数据 y (y为 Kx l的一维列向量）。

所述的稀疏重建是在已知观测数据 y和测量矩阵 A的条件下求解（ 1 )式中的 c， 这是一个 ill-posed问题， 一般用压縮传感算法求解， 该算法如上所述可分许多种类 型， 作为范例， 取其中一种常见的表述方式， 描述为 （3 ) 式：

minify - ΑΨ ' + r l (3 ) 其中 ||··1代表范数算符， =∑ i， 一项是最小二乘约束， 记为/ ; 第二项是对; C稀疏度的一种约束；两项之和是目标函数。� �需 M≤0(Hg V/iO)次测 量， 便可完美重建原信号。

上述是根据光强维度信息来对单色光的图像重 建， 若加上光谱维度信息， 即对 各波长的信号分别进行重建， 即可进行光谱分析； 若加上时间维度信息， 即在上述 基础上按所述时间分辨测量方法进行分时间间 隔的信号重建， 便可实现时间分辨； 时间分辨中获取的光子到达时间， 在一定条件下可转化为空间远近维度信息， 即信 号按远近距离分类划分， 算法对各距离上的平面图像进行重建， 最后将各距离上的 重建图像叠加在一起， 形成空间三维立体图像。

本发明还提出一种时间分辨单光子多维成像方 法， 该方法基于上述的系统， 所 述方法包含：

在极弱光单光子条件下， 将物体受激或自激释放、 反射、 散射、 透射或折射的 光通过透镜组成像在空间光调制器上；

根据压縮传感理论设置所述空间光调制器上的 随机调制基， 并将其反射光收集 到点或阵列单光子探测器中， 采用时间分辨的策略， 通过压縮传感算法和成像光谱 算法实现具有五维参量信息的成像光谱重构， 最终实现了纳米尺度和皮秒尺度上的 单光子时间分辨成像光谱；

其中， 所述时间分辨的测量策略能够采用以下三种方 法中的任意一种： 策略一， 当瞬态过程的周期为 1.5ms〜5ms时， 开启光源， 假设瞬态周期为 Γ， 将该时间周期等分为 d个时间间隔， 分别记做^ ... ； 在该周期 T内保持空间 光调制器上随机调制基矩阵不变， 点或阵列单光子探测器分别对落在 时间间隔内 的单光子进行探测， 其中 = 1，2，...，^ ， 多通道计数器分别记录下每段时间间隔内的 单光子数， 并与高精度时间测量仪记录下的时间码合在一 起作为一个数据包， 这样 便可得知每个计数所对应的时间间隔； 同时在下一次激光脉冲发射前， 即前一周期 Τ对应的 d个时间间隔刚好全部测完的时刻， 空间光调制器瞬间翻转到下一帧， 做 整套上述操作， 重复 P次翻转， 最终每个^时间间隔便相应有 P个计数， 分别对应 P个随机矩阵， 依据这一一对应关系， 分别对这 d个时间间隔做算法重建， 便可反 演出一个瞬态周期内的光谱强度变化过程； 若光强极弱， 则多次测量累加使相应的 计数变大， 依法炮制；

策略二， 当瞬态过程的周期为 80ns〜1.5ms时， 当传送给光源触发脉冲的同时， 发送使能控制信号到各个部件， 该信号在到达该点或阵列单光子探测器和高精 度时 间测量仪之前需先经过延时器， 具体为： 1 ) 首先保持空间光调制器固定一帧不变， 保持点或阵列单光子探测器的门宽的起始端与 瞬态周期起始时刻重合， 门宽小于瞬 态周期 Γ， 周期开始时， 点或阵列单光子探测器和高精度时间测量仪同 时开始测量， 在该瞬态周期内仅探测一次， 所测得计数值为门宽和该瞬态周期交叠时间段 内的单 光子数， 依次重复 β次， 然后基于统计原理将每次的计数加和， 在此之后利用数字 延时器将门宽增加 20ps， 依上述步骤同样可以获得一个计数加和， 以第一个加和作 为参考值， 第二个加和与第一个加和之差作为延长的那段 门宽时间内的统计计数， 依此法就可得到参考点时刻到荧光寿命结束时 刻之间的 d段统计计数； 2)另外， 若 保持门宽不变， 但门宽的到达时刻提前， 依上法得到的一系列计数差值为荧光寿命 开始时刻到参考点时刻之间的 d段统计计数； 上述两点皆为得到整个荧光寿命内的 分段统计计数， 空间光调制器翻转一次， 做整套上述操作， 重复 P次翻转， 此时每 个 时间间隔便相应有 P个计数， 分别对应/ ⁵ 个随机矩阵， 依据这一一对应关系， 分别对这 d个时间间隔做算法重建， 便可反演出一个周期内的瞬态过程； 若光强极 弱， 则多次测量累加使相应的计数变大， 依法炮制；

策略三， 首先空间光调制器固定一帧不动， 并将发送给光源的触发脉冲作为时 间幅度变换器的参考脉冲， 然后时间幅度变换器把获得光子的时间以电压 形式记录 下来， 记录在对应的时间通道中， 并按光子达到时间将光子数分段划分， 统计出一 个周期内各时间间隔内的 d段累积计数，空间光调制器翻转一次，做整� �上述操作， 重复 P次翻转， 此时每个 时间间隔便相应有 P个计数， 分别对应/ ⁵ 个随机矩阵， 依据这一一对应关系， 分别对这 d个时间间隔做算法重建， 便可反演出一个周期内 的瞬态过程； 若光强极弱， 则多次测量累加使相应的计数变大， 依法炮制。

上述技术方案中， 所述空间光调制器采用微镜阵列；

所述单光子探测器可以是光电倍增管、 ICCD、 EMCCD、 线性模式或盖革模式 单光子探测器；

所述的光源选用红外或可见光， 且所述激光器选用合适波长的飞秒或纳秒脉冲 激光器。

上述技术方案中， 空间光调制器的正负级光路上同时设置收集探 测部件并符合 测量， 利用正负级随机测量矩阵的相互关联性， 采用关联恢复算法， 可提高重建图 像的质量和縮短恢复算法的运行时间。

总之， 本发明所述的单光子时间分辨成像光谱方法， 在荧光寿命成像 (FLIM)系 统中引入单光子计数压縮传感成像技术， 目前国际上的荧光寿命成像和荧光成像光 谱系统通常采用光电倍增管、 ICCD、 EMCCD等高精度光探测技术， 结合纳米位移 平台或激光束扫描技术， 本发明首次将压縮感知理论、 单光子探测技术和荧光寿命 测量技术有机结合， 考虑到扫描方式对荧光寿命成像稳定性的影响 ， 将极弱光影像 映射到随机微镜阵列上， 再将其反射光汇聚到点及阵列单光子探测器， 分段统计计 数， 再通过对该分段计数序列进行压縮传感计算重 构图像， 即可同时获取具有五维 参量的单光子时间分辨成像光谱。

与现有技术相比本发明的优点在于： 本发明所述系统结合可见光和近红外光的 点及阵列单光子探测技术、 时间分辨测量技术、 空间光调制技术、 压縮传感理论、 单光子计数成像技术、 成像光谱技术、 重建算法技术， 实现具有纳米精度的空间二 维、 光强、 皮秒精度的时间分辨、 光谱分辨五维参量信息的成像光谱测量。

本发明的主要技术难点和创新点包括：

( 1 )利用可见光和近红外光的点及阵列单光子探� �技术，将获得的单光子计数 数据按时间进行分组，利用压縮传感理论，分 组进行重构实现单光子时间分辨成像。

(2)利用可见光和近红外光的点及阵列单光子探 测技术和成像光谱技术，分别 按时间、光谱谱段进行单光子计数数据分组、 计算， 实现单光子时间分辨成像光谱， 其中成像和光谱可同时测量。

(3 )由于空间远近维度是时间分辨维度的子集，� �利用时间分辨所获取的光子 到达时间推算出空间远近上的光程差， 获取空间第三维的维度信息， 实现三维立体 成像， 纵向分辨率达到毫米量级， 而平面分辨率可达纳米量级。

(4)针对瞬态周期对象的测量提出三种全新的基 于压縮传感原理的时间分辨测 量方法： 基于时间间隔测量的时间分辨方法、 基于延时测量的时间分辨方法和基于 光子到达时间的时间分辨方法， 使得时间分辨精度达到皮秒量级。

(5 )在压縮传感上选择合适的框架、引入矩阵填� �的思想来提高成像质量。 (6) 针对 8种成像， 结合压縮传感理论， 设计相应的算法。

基于以上优点和创新点， 本发明所研制的系统可广泛应用于可广泛应用 于单分 子生物物理学、 材料缺陷检测、 纳米材料、 微电子、 量子点、 生命科学以及新能源 光电转换材料等众多新兴高科技产业领域。 附图说明

图 1是本发明的时间分辨单光子计数二维成像系� �的结构示意图；

图 2是本发明的当观测对象为自发光物体时的时� �分辨单光子计数二维成像系 统的结构示意图；

图 3是本发明的基于压縮传感理论的时间分辨极� �光多光谱成像系统的结构示 意图；

图 4是本发明的当观测对象为自发光物体时的时� �分辨极弱光多光谱成像系统 的结构示意图；

图 5是本发明提出的时间分辨单光子多维成像系� �的总体结构图；

图 6是本发明的空间光调制器采用 DMD时其上的单个微镜的反射机制原理图； 图 7是本发明实施例的正负像结构简化原理图；

图 8是本发明实施例采用的一种时间分辨测量方� �框图；

图 9是本发明分时间间隔记录单光子数的示意图� �

图 10是本发明实施例采用的另一种时间分辨测量� ��法框图；

图 11是本发明统计作差后时间间隔内单光子计数� ��示意图。 附图标识

I、 光源 IV、 系统控制单元

V、 算法单元

I、 不同波长的激光或卤素灯 2、 滤光片和衰减片

3、 光学成像部件 4、 空间光调制器 （SLM) 或 DMD

5、 凹面镜 （可选） 6、 光栅分光部件

7、 会聚收光部件 8、 随机数发生器

9、 点及阵列单光子探测器 10、 多通道计数器

II、 高精度时间测量仪 12、 数字延时器 （可选）

13、 系统控制平台 14、 数据包存储器

15、 压縮传感及相关算法 16、 单光子探测器

17、 计数器 18、 触发器

19、 分光光度计 20、 单光子探测器线阵。 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说 明。

本发明技术方案所提出的时间分辨单光子计数 二维成像系统的特征在于， 该系 统基于触发器触发技术、 压縮传感理论、 空间光调制技术、 光纤耦合技术和单光子 探测技术， 在大尺度时间和极弱光单光子水平下， 创新地采用触发器 18进行触发， 并在每次触发后开始探测计数， 利用空间光调制技术将图像信号随机投影， 转化为 随机的光强信号， 以单光子探测器 16作为探测元件， 每间隔 t时间间隔 （t在秒量 级）采样一组数据（一组数据对应一幅图像） ， 累计的光子数作为测量值， 最后利用 压縮传感及相关算法 15对其进行重建，采用先集中采样后批量重建� ��算的方式，实 现单光子级别的极弱光二维成像的时间分辨， 能在大尺度时间下用点探测器观测到 待测物体的动态变化。

如图 1和图 2所示， 本发明所述的时间分辨单光子计数二维成像系 统主要由不 同波长的激光或卤素灯 1、触发器 18、滤光片和衰减片 2、光学成像部件 3、 DMD4、 会聚收光部件 7、 单光子探测器 16、 计数器 17、 系统控制平台 13和压縮传感及相 关算法 15构成。 需说明的是， 首先将单光子探测器 16 使能， 使其持续探测， 新添置的触发器 18与系统控制平台 13相连， 触发器 18当有极弱光照射便开始触发， 并以触发脉冲 形式告知系统控制平台 13， 系统控制平台 13便发送驱动控制信号来使空间光调制 器 （SLM) 4运作， 探测器 17开始计数。

本发明又一改进之处在于， 滤光片的作用是滤除极弱光的杂光， 使进入后续系 统的极弱光在探测所需的波长范围内， 若对波长无要求可省去。 衰减片用于将光衰 减到单光子探测器的工作范围，防止被测光强 过大或单光子探测器 16的门控时间过 长所导致的探测器饱和。 若光源的光强极其微弱， 则不需要再设置衰减片。 将光衰 减片放置在光源后， 这可将光源变成极弱光光源， 系统噪声会随之增大， 应权衡放 置位置。

空间光调制器（SLM) 4可以翻转 +12°和 -12° (有些型号的空间光调制器（SLM) 4 可以翻转 +10°和 -10°)， 在本系统中， 设置 +12°为能接收到的反射角度， -12°翻转 能进入最后的单光子探测器 16的反射光微乎其微，可忽略不计， 因而会聚收光部件 7的主光轴与光学成像部件的主光轴所成夹角� � 24°。 在选定空间光调制器 （SLM) 4工作区域后，系统控制平台 13 中下载并生成该区域的随机数文件，控制空间 光调 制器 （SLM) 4 的随机翻转， 空间光调制器 （SLM) 4在翻转的同时会向计数器发 送同步信号， 这保证了空间光调制器（SLM) 4与单光子探测器 16之间同步， 即空 间光调制器（SLM) 4每翻转一次， 单光子探测器 16累积计数在该次翻转的时间间 隔内的光单子数， 空间光调制器 （SLM) 4翻转完成后， 计数器清零重新开始累积 计数，所有计数都会通过数据线传到压縮传感 及相关算法 15中，与随机矩阵一起参 与计算。

本发明又一改进创新之处在于， 所述的光学成像部件 4和会聚收光部件 7， 皆 为光学透镜组， 分别负责光学成像和光学聚焦， 而不再局限于原有技术的简单地用 单个透镜进行成像和聚焦， 因而本发明的适用范围更广， 在空间光调制器 （SLM) 4上成像面积最大可至 2048x1152像素， 不同于现有的技术， 在所述的光学成像部 件 4中， 极弱光通过光学成像部件 4后， 将在空间光调制器 （SLM) 4上成等大或 縮小或放大的像， 并可按实际需求进行成像设置。 而后续的光路收集涉及到光纤耦 合技术， 即将聚焦后的光束耦合到光纤里。 创新点在于使用光纤耦合技术将聚焦光 收集到单光子探测器 16上，耦合的好坏直接影响成像质量， 因而调节耦合也变得更 加困难。 所述的时间分辨单光子计数二维成像系统，其 特征在于，仅能对物体成灰度像， 若用单光子探测器线阵 20替换所述单光子探测器 16， 需说明的是， 取红绿蓝三原 色下的光强空间分布便可成彩色像，且所述单 光子探测器线阵 20和会聚收光部件 7 之间的光路上设置有分光光度计， 则上述系统可扩展成一种时间分辨极弱光多光 谱 成像系统。

如图 3所示， 本发明还提供了一种时间分辨极弱光多光谱成 像系统包含： 不同 波长的激光或卤素灯 1、 触发器 18、 滤光片和衰减片 2、 光学成像部件 3、 DMD4、 会聚收光部件 7、 分光光度计 19、 单光子探测器线阵 20、 多通道计数器 10、 系统控 制平台 13和压縮传感及相关算法 15构成。其中，单光子探测器线阵 20由若干对于 不同波长的单光子计数器组成。

所述的时间分辨极弱光多光谱成像系统， 其特征在于， 所述会聚收光部件 7用 于将光谱中不同波长的光分别收集会聚到相应 的单光子探测器上， 可采用自由空间 耦合方式或光纤准直方式， 对于单光子点探测器优先选择光纤准直方式， 对于雪崩 二极管阵列优先选择自由空间耦合方式；

所述分光光度计 19包含： 光准直部分、 分光部分、 角度测量部分、光度观察和 测量部分， 用于光谱分析和测量； 其中， 所述分光光度计为棱镜分光光度计或光栅 分光光度计， 也可采用滤光片轮的方式进行光谱分光。

上述两种系统中， 极弱光打在物体上之后的出光方式主要有： 物体受激或自激 释放、 反射、 散射、 透射或折射。 作为补充说明， 当观测对象为自发光的物体时， 就可以去掉时间分辨单光子计数二维成像系统 中的极弱光光源即不同波长的激光或 卤素灯 1， 将触发器 18和滤光片和衰减片 2平移到自发光物体右侧的光路上， 进行 直接观测， 如图 2、 4所示。

上述两个系统都是在原有技术上创新地加入了 时间分辨方法， 分别是二维平面 图像帧的时间分辨和加入光谱维度的平面图像 帧的时间分辨， 均采用逐帧测量的方 式， 但都只能针对秒量级大尺度时间的动态物体成 像， 时间分辨精度较为粗略， 而 很多物理和化学过程， 如分子的顺-反异构和定向弛豫、 电荷和质子的转移、 激发态 分子碰撞预解离、 能量传递和荧光寿命以及电子在水中溶剂化等 ， 仅需 ^{1 G} — ^§ 秒就能 完成， 只有通过皮秒的时间分辨精度的分析仪器才有 可能及时地观察这些极快的过 程。

如图 5所示， 本发明为解决上述高精度时间分辨问题， 还提出一种时间分辨单 光子多维成像系统， 该系统同样基于压縮传感原理， 通过激光脉冲激发物体荧光， 得到光强分布和成像光谱， 并利用时间分辨策略实现高达皮妙级时间分辨 精度， 进 而能够用于对荧光寿命等瞬态周期性物质进行 探测， 所述多维包括光强维、 平面二 维、 光谱维和时间维五个维度。 所述系统包含：

光源、 成像光谱测量单元、 电学探测单元、 系统控制单元、 处理单元； 本发明的技术路线主要通过可见光和近红外光 的点及阵列单光子探测技术、 时 间分辨测量技术、 空间光调制技术、 压縮传感理论、 单光子计数成像技术、 成像光 谱技术、 重建算法技术完成系统的研制。 所述系统包含 5个单元： 光源 I、 成像光 谱测量单元 II、 电学探测单元 III、 系统控制单元 IV、 算法单元 。

时间分辨单光子多维成像系统总体结构图如图 5， 不同波长的激光或卤素灯 1 打出光， 照射在具有时间序列的观测对象上， 后经滤光片和衰减片 2， 进入光学成 像部件 3中。 其中， 采用特殊滤光片滤除杂光， 并采用单色滤光片来选择性地让某 些波长的光通过； 当光源比较强时需采用多组衰减片组合进行光 衰减， 达到单光子 水平， 以防止后续的点及阵列单光子探测器 9饱和。 所述光学成像部件 3将观测对 象的图像成像在空间光调制器 （SLM) 4上， 而后者通过加载随机数发生器 8产生 的随机数对光进行随机调制， 使得其出射光以一定随机的概率偏向后续的会 聚收光 部件 7的方向， 根据压縮传感理论， 其随机性越高， 成像质量越好。 会聚收光的方 式有很多种， 目的都为将杂散光会聚准直，最后能被点及阵 列单光子探测器 9接收， 需说明的是， 图 5中所画会聚收光光路仅作为简图示范， 不作为唯一评价标准。 为 了进行光谱探测， 还需添加光栅分光部件 6， 对光信号进行光谱分辨测量， 点及阵 列单光子探测器 9中各单光子点探测器分别对各特定波长的光� �行捕捉。

作为上述技术方案的一种补充， 根据光谱分光机理的不同， 常规可以分为滤波 式和色散式分光。 对于滤波式分光， 只能在预先设定的有限谱段内实现探测， 且通 过旋转滤波片轮等方式在光谱维进行"扫描"。� ��于色散式分光来说， 色散元件（棱 镜或光栅） 将空间光调制器 （SLM) 4 反射的不同波长的光场按波长从短到长依次 投射到点及阵列单光子探测器 9的不同位置上， 无需进行扫描， 各光谱段图像同时 得到。 该分光方式中， 光谱分辨率的高低与到达色散元件 （棱镜或光栅） 的入射光 的准直度成正比， 准直性越好光谱分辨率越高， 且光谱分辨率和空间分辨率是相互 制约的。 现作为范例解释， 选择闪耀光栅来进行光谱色散分光。 利用凹面镜 5的准 直和扩束将空间光调制器 （SLM) 4 反射光场准直投影到闪耀光栅面上， 使得光束 尽可能充满整个光栅面。 准平行光入射到光栅后， 光栅反射光场再经过会聚收光部 件 7中的会聚系统的会聚， 使不同波长的光在其焦平面上实现空间分离。 在焦平面 上放置点及阵列单光子探测器 9， 就可以记录各光谱信息， 利用压縮传感及相关算 法便可获得整个光谱范围内图像信息。

在电学探测单元 ΠΙ中，点及阵列单光子探测器 9将输入的光信号处理成有效脉 冲信号输出，经过多通道计数器 10记录下特定时间间隔内的单光子数， 同时通过并 联高精度时间测量仪 11记录下相应时间戳 （码）。 最后光子计数、 时间戳 （码） 和 随机数发生器 8输出的随机矩阵一起打包进入算法单元 V的数据包存储器 14中。

在电学探测单元 IV中， 系统控制平台 13控制各单元部件的使能， 并在基于压 縮传感原理的时间分辨测量中发挥至关重要的 作用。 具体地， 它能在一定时间段里 维持空间光调制器 （SLM) 4相应的随机矩阵不变， 并能精确控制其在某个特定时 刻瞬间翻转到下一帧随机矩阵。 根据各种时间分辨测量方法， 它控制光源 I、 点及 阵列单光子探测器 9、 多通道计数器 10和高精度时间测量仪 11之间的步调协调， 并去除异步时差。 需说明的是， 在基于延时测量的时间分辨方法中将会添加数 字延 时器 12， 以完成对点及阵列单光子探测器 9的皮秒级门控。 而在基于光子到达时间 的时间分辨方法中， 多通道计数器 10 中的时间幅度变换器可将获取光子的时间 ( start to stop) 以电压形式记录下来， 记录在对应的时间通道中， 并按光子达到时 间将光子数分段划分， 以统计出一个周期内各时间间隔内的多段累积 计数。

当系统依据压縮传感原理重复多次测量，便可 得到一系列的计数值、时间戳 (码) 和随机矩阵， 算法单元 V中压縮传感及相关算法 15最后根据这些输入重建出所需 的成像， 主要有： 单光子二维成像 I (x， y)、 单光子三维成像 I (x， y， z)、 单光 子二维成像光谱 I (x， y， λ)、单光子时间分辨二维成像（如荧光寿命） I (x， y， t)、 单光子三维成像光谱 I (x， y， z, λ)、 单光子时间分辨三维成像 I (x， y， z, t)、 单光子时间分辨二维成像光谱 I (x， y， λ， t)和单光子时间分辨三维成像光谱 I ( χ， y, ζ， λ， t)。

另外需要说明的是， 以数字微镜器件 （DMD) 作为一个空间光调制器 （SLM)

4的特例， 解释其单个微镜的反射机制原理， 如图 6所示， 当入射光线与微镜阵列 单个微镜法线成 24°时， 反射光线也与法线成 24°， 但当微镜翻转 +12°时， 微镜的法 线也顺时针翻转 +12°， 根据反射定律， 反射光线则需顺时针翻转 +24°， 即与初始位 置时的法线在同一直线上， 可设置该初始位置时的法线方向为后续会聚收 光部件 7 的接收方向， 即出射光最后进入点及阵列单光子探测器 9中。同理， 当微镜翻转 -12° 时， 这时的反射光线与初始位置时的法线成 -48°， 几乎不进入后续的会聚收光部件， 因而微镜翻转 -12°时的反射光可以忽略不计。 这里取顺时针翻转为正， 逆时针为负。 接收方向亦可颠倒设置。

作为上述技术方案的一种补充， 如图 7所示的正负像结构简化原理图， 其特征 在于， 空间光调制器 （SLM) 4的正负级光路上都可设置点及阵列单光子探� �器 9， 同步进行符合测量， 利用正负级随机测量矩阵的相互关联性， 采用关联恢复算法， 可提高重建图像的质量和縮短恢复算法的运行 时间。

所述的策略一时间分辨测量方法， 即基于时间间隔测量的时间分辨方法， 其原 理框图如图 8所示， 图 9即分时间间隔记录单光子数示意图； 而所述的策略二时间 分辨测量方法即基于延时测量的时间分辨方法 ， 其原理框图如图 10所示， 图 11是 统计作差后时间间隔内单光子计数示意图， 最后转化为基于时间间隔测量的时间分 辨问题；同样所述的策略三时间分辨测量方法 即基于光子到达时间的时间分辨方法， 最后也将统计出如图 9所示的一个周期内各时间间隔内的多段累积� �数。 具体方法 在发明内容中已详细说明， 在此不再赘述。

作为上述技术方案的一种改进， 为分析系统信噪比 （signal to noise ratio, 简称

SNR)， 设 SNR为信号与系统噪声的方差之比。 其中系统噪声包含点及阵列单光子 探测器 9的暗计数、 环境噪声、 电学噪声、 光学噪声等。 而方差可理解为信号的波 动情况， 若系统噪声的波动淹没了信号的波动， 则压縮传感算法失效； 若系统噪声 的波动小于或远小于信号的波动， 则能几乎完美重建图像。 为提高系统信噪比， 可 对系统进行密闭封装， 并提高点及阵列单光子探测器 9的相应参数， 提高系统稳定 性， 这对成像质量的提高将有明显帮助。

综上所述， 本发明所提出的一种时间分辨单光子或极弱光 多维成像光谱系统及 方法属于新一代高性能时间分辨单光子多维成 像系统， 它基于压縮感知 (Compressive Sensing, 简称 CS) 理论和单光子检测技术来实现的， 可以有效地解 决维度增加带来的维度问题和灵敏度问题。 压縮感知原理突破了香农采样定理的极 限， 能以随机采样的方式、 更少的数据采样数 （远低于奈奎斯特采样定理的极限）， 来完美地恢复原始信号， 且具有高鲁棒性。 该原理主要分为三步骤： 压縮采样、 稀 疏变换与算法重建。其中， 压縮采样， 是被测信号由高维向低维映射与采集的过程， 所述的稀疏变换是选取合适的 Ψ，使得； c经 Ψ变化所得值 C '是稀疏的，即 C可在 Ψ框 架下可稀疏表达， 所述的算法重建是在已知观测数据 y、 测量矩阵 A和框架 Ψ的条 件下求解3^ = c。 在本发明中， 时间分辨单光子多维成像系统可以实现强大的 功能， 是国际上唯 一具有单光子探测灵敏度、 皮秒时间分辨率、 纳米空间分辨率、 超宽光谱波段、 以 点探测器实现成像的最先进分析系统， 具有速度快、 分辨率高、稳定性高、 效率高、 测试成功几率大等优点， 是开展材料学、 物理， 化学、 生命学等相关基础前沿领域 研究必备的定量分析工具， 并可高效地测试阵列式纳米材料结构和生物大 分子及细 胞精细结构， 也适用于工业上纳米半导体器件、 生物制药、 临床肿瘤组织及产品的 批量检测和质量监控等科研领域。

本发明同时是基于前人工作的改进和创新， 主要基于该领域的两份专利 《一种 单光子计数成像系统及其方法》（中国申请号 或专利号： 201110103559.3， 申请人或 专利权人： 中国科学院空间科学与应用研究中心）、 《一种极弱光多光谱成像方法及 其系统》。本发明在此基础上，在上述特定情 况下利用时间分辨维度信息推导出空间 第三维远近参数， 扩展为八种成像： 单光子二维成像 I (x， y)、 单光子三维成像 I (x， y， z)、 单光子二维成像光谱 I (x， y， λ)、 单光子时间分辨二维成像 （如荧 光寿命） I (x， y， 0、 单光子三维成像光谱 I (x， y， ζ， λ)、 单光子时间分辨三维 成像 I (x， y， z, 0、 单光子时间分辨二维成像光谱 I (x， y， λ， t) 和单光子时间 分辨三维成像光谱 I (x， y， z, λ， 0。 本发明首次将压縮感知理论、 单光子探测技 术和荧光寿命测量技术有机结合在一起。 总之， 本发明提供一种时间分辨单光子或 极弱光多维成像光谱系统及方法， 单光子时间分辨成像光谱的技术领域， 所述系统 结合可见光和近红外光的点及阵列单光子探测 技术、 时间分辨测量技术、 空间光调 制技术、 压縮传感理论、 单光子计数成像技术、 成像光谱技术、 重建算法技术， 实 现在极弱光单光子水平上对反射、 散射或透射物体的具有空间二维、 光强、 时间分 辨、 光谱分辨五维参量信息的成像光谱测量。 该系统主要由光源、 成像光谱测量单 元、 电学探测单元、 系统控制单元、 算法单元组成， 其中， 携带物体信息的光成像 在空间光调制器上， 按压縮传感理论对其随机调制， 并利用点及阵列单光子探测器 收集其反射光， 同时记录下光子数和光子到达时间， 运用压縮传感算法和成像光谱 相关算法进行重建， 具有单光子探测灵敏度、 高时间分辨率、 宽光谱范围， 可广泛 应用于单分子生物物理学、 材料缺陷检测、 纳米材料、 微电子、 量子点、 生命科学 以及新能源光电转换材料等众多新兴高科技产 业领域。

本发明在利用单光子探测器进行光子探测， 利用计数器记录下该探测器输出的 离散脉冲个数； 在利用时间分辨技术时， 在通过时幅转换 （Time to Amplitude Converter, 简称 TAC)技术的基础上扩展了时间分辨测量方法， 更加适于与压縮传 感理论的结合； 在利用压縮传感理论时， 核心算法是通用的， 但在此基础上扩展成 适于该发明的算法， 针对八种成像分别提出八种相应的改进措施， 具体详见发明内 容； 利用空间光调制器时主要通过随机数发生器加 载伯努利二值随机矩阵， 实现对 光的随机光调制； 在利用光谱分光时是通识的分光技术。

最后需要说明的是， 具体实施方式中所述算法已经经过大量实验数 据验证， 是 真实可靠的， 搭配硬件便可实现本发明的技术方案。 所述所有实施范例仅为进一步 对本发明进行详细说明， 并非绝对， 可相应扩展。本领域的普通技术人员应当理解 ， 对本发明的技术方案进行修改、 添加、 删减或者等同替换， 都不脱离本发明技术方 案的精神和范围， 其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。