当光携带信息时，例如 激光雷达 和其他成像技术一样，最好有强信号，以便能够以最大保真度从载体中检测和提取信息。由于多种原因，这种理想情况并不总是可行的。在成像应用中，生物材料可能对强光敏感，而 LiDAR 测量通常在长距离进行，从而降低了接收信号的强度。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。
在享有盛誉的 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。
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）。这些设备具有令人难以置信的灵敏度和时间分辨率，能够以皮秒分辨率检测单个光子级的能量。还出现了一种利用 SPD 优势的互补技术，称为单像素成像 (SPI)。SPI 不是使用 SPD 阵列来模拟传统成像系统，而是使用单个检测器并从带时间戳的光子流中重建图像。
尽管取得了这些进展，但如何有效调制光以便利用 SPI 技术恢复光的问题仍然存在。数字微镜设备 (DMD) 由数百万个微米级镜子阵列组成，可以快速打开和关闭，是空间光调制的常用设备。然而，这些设备的调制速率较慢，这限制了物体成像的速度。
UCAS 团队设计了一个旋转编码盘作为调制源，可以快速调制光线。采用这种方法，实施起来也比基于 DMD 的系统更具成本效益。然而，虽然这项技术前景光明，但编码盘方法也带来了独特的挑战，其中一些挑战团队通过 Moku 解决了。 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）旋转编码掩模的顶视图。红色方块：成像区域，绿色箭头：同步凹口。（c）掩模的放大视图。
为了进行检测，该团队使用了两种 SPD 设备。第一种是更传统的 单光子雪崩二极管 （SPAD），其工作频率范围为 400–1060 nm。他们还利用了超导纳米线单光子探测器（SNSPD），该探测器可以在许多波长下工作，例如 1064nm 或 1550 nm。这些设备采用不同的逻辑运行 - SPAD 在检测到事件时输出 TTL 逻辑脉冲，而 SNSPD 和同步 PD 产生模拟电压。这种差异使得该团队很难找到可用的时间计数器，因为传统的时间相关单光子计数 (TCSPC) 模块并不总是与超导 SPD 和 PD 的信号兼容。
为了解决这个问题，该小组部署了时间和频率分析仪来对 SPD 检测到的事件进行计数和时间戳。该论文的主要作者、研究生赵子清表示，可重构 Moku 该平台具有多项优势，使该仪器对他们的研究具有吸引力。首先是能够改变事件的阈值电压，使他们能够使用单个计数器进行数据收集，而不受频率范围的限制。
“我们尝试了另一种 TCSPC，但由于超导 SPD 的振幅变化，我们无法使用它，”他说。
赵还表示，该仪器的触发延迟功能非常有用，因为它可以帮助他们补偿由于物理不稳定性而导致的圆盘旋转周期的细微变化。这种旋转速度校正是至关重要的一步，因为它限制了使用类似装置的先前实验的性能。
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 脚本进行数据处理，并发现 Moku 格式化数据的简洁方式极大地简化了他的分析。
“以前，我必须手写 C++ 代码进行数据分析，”他说，“而 Moku 打包和组织数据的方式让这个过程变得高效得多。”
经过分析，该团队表明他们能够在极低的光照下（每旋转约半个光子/像素）执行光子计数 SPI。图 2 中可以看到他们的结果示例。使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，以增加图像的对比度噪声比 (CNR)。如果不应用此校正，由于速度波动，CNR 会随着平均次数的增加而变得更糟。
图 2：SPI 技术收集的重建图像，显示了多个周期的积分效果。CNR 会随着周期数的增加而增加。
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，该设备成本更低、体积更小，并且能够提供更高的刷新率，从而实现更快的成像。
该团队的研究成果现已发布于 [1]。展望未来，赵教授表示，该团队正在开发更多的单光子探测实验， 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)。
