【技术实现步骤摘要】
一种囚禁离子光学超分辨成像方法、装置、设备和介质
[0001]本申请涉及离子超分辨成像
，尤其涉及一种囚禁离子光学超分辨成像方法、装置、设备和介质。
技术介绍
[0002]囚禁离子系统是最有希望实现通用量子计算的平台之一。由于高分辨率的光学检测和成像可以直接观察囚禁离子，它们在这类系统中是不可或缺。但是，传统成像系统的分辨率受限于光学衍射极限，最高分辨率只能到光波长左右(约百纳米量级)，不适合探测于物质波细节相关的量子现象。
技术实现思路
[0003]本申请提供了一种囚禁离子光学超分辨成像方法、装置、设备和介质，用于改善现有成像系统的分辨率受限于光学衍射极限，最高分辨率只能到光波长左右，不适合探测于物质波细节相关的量子现象的技术问题。
[0004]有鉴于此，本申请第一方面提供了一种囚禁离子光学超分辨成像方法，包括：
[0005]S1、启动连续激光冷却离子并初始化离子到基态；
[0006]S2、通过脉冲激光光源发射脉冲激光激发离子从基态到激发态，并在该脉冲激光光源发出脉冲激光的同时发出一个同步信号给光子计数相机，所述同步信号用于触发该光子计数相机打开快门；
[0007]S3、激发态离子自发辐射单个荧光光子，通过荧光收集系统收集荧光光子，并通过光子计数相机探测单个荧光光子并记录荧光光子到达的像素，得到采集图像，返回步骤S1，直至达到预置采集时间，得到采集图像序列；
[0008]S4、对所述采集图像序列进行二阶或三阶强度相关处理，得到离子超分辨率成像图。>[0009]可选的，所述对所述采集图像序列进行二阶或三阶强度相关处理，得到离子超分辨率成像图，包括：
[0010]采用预置大小的滑动窗口对所述采集图像序列进行滑窗处理；
[0011]计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值或三阶强度关联值；
[0012]基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，或，基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值计算三阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图。
[0013]可选的，计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值，包括：
[0014]基于二阶强度关联函数计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值，所述二阶强度关联函数为：
[0015][0016]式中，g
(2
)(x
i
,τ)为二阶强度关联函数，n
i
(t)为滑动窗口内的中心像素x
i
在t时刻探测到的光子数，n
k
(t+τ)为滑动窗口内的非中心像素x
k
在t+τ时刻探测到的光子数，<n
i
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
i
求平均，<n
k
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
k
求平均，显然i≠k，τ为不同帧的延迟，K为非中心像素的数量。
[0017]可选的，所述基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，包括：
[0018]对延迟τ＝0时的各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值g
(2
)(x
i
,0)求平均，得到各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联平均值
[0019]根据各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联平均值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，所述二阶反聚束信号为：
[0020][0021]可选的，计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值，包括：
[0022]基于三阶强度关联函数计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值，所述三阶强度关联函数为：
[0023][0024]式中，g
(3
)(x
i
,τ1,τ2)为三阶强度关联函数，n
i
(t)为滑动窗口内的中心像素x
i
在t时刻探测到的光子数，n
k
(t+τ1)为滑动窗口内的非中心像素x
k
在t+τ1时刻探测到的光子数，n
m
(t+τ2＝)为滑动窗口内的非中心像素x
m
在t+τ2时刻探测到的光子数，i≠k≠m，<n
i
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
i
求平均，n
k
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
k
求平均，<n
m
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
m
求平均，τ1、τ2为不同帧的延迟。
[0025]可选的，所述基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值计算三阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，包括：
[0026]对延迟τ1＝0、τ2＝0时的各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值g
(3
)(x
i
,0,0)求平均值，得到各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联平均值
[0027]根据各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联平均值计算三阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，所述三阶反聚束信号为：
[0028][0029]本申请第二方面提供了一种囚禁离子光学超分辨成像装置，包括：
[0030]连续激光器，用于启动连续激光冷却离子并初始化离子到基态；
[0031]脉冲激光光源，用于发射脉冲激光激发离子从基态到激发态，并在发出脉冲激光的同时发出一个同步信号给光子计数相机；
[0032]荧光收集系统，用于收集激发态离子自发辐射的单个荧光光子；
[0033]光子计数相机，用于响应于所述同步信号，打开快门，探测单个荧光光子并记录荧光光子到达的像素，得到采集图像；
[0034]图像处理器，用于对预置采集时间内采集得到的采集图像序列进行二阶或三阶强度相关处理，得到离子超分辨率成像图。
[0035]可选的，所述图像处理器，具体用于：
[0036]采用预置大小的滑动窗口对所述采集图像序列进行滑窗处理；
[0037]计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值或三阶强度关联值；
[0038]基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，或，基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值计算三阶反聚束信本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种囚禁离子光学超分辨成像方法，其特征在于，包括：S1、启动连续激光冷却离子并初始化离子到基态；S2、通过脉冲激光光源发射脉冲激光激发离子从基态到激发态，并在该脉冲激光光源发出脉冲激光的同时发出一个同步信号给光子计数相机，所述同步信号用于触发该光子计数相机打开快门；S3、激发态离子自发辐射单个荧光光子，通过荧光收集系统收集荧光光子，并通过光子计数相机探测单个荧光光子并记录荧光光子到达的像素，得到采集图像，返回步骤S1，直至达到预置采集时间，得到采集图像序列；S4、对所述采集图像序列进行二阶或三阶强度相关处理，得到离子超分辨率成像图。2.根据权利要求1所述的囚禁离子光学超分辨成像方法，其特征在于，所述对所述采集图像序列进行二阶或三阶强度相关处理，得到离子超分辨率成像图，包括：采用预置大小的滑动窗口对所述采集图像序列进行滑窗处理；计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值或三阶强度关联值；基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，或，基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值计算三阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图。3.根据权利要求2所述的囚禁离子光学超分辨成像方法，其特征在于，计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值，包括：基于二阶强度关联函数计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值，所述二阶强度关联函数为：式中，g
(2)
(x
i
,τ)为二阶强度关联函数，n
i
(t)为滑动窗口内的中心像素x
i
在t时刻探测到的光子数，n
k
(t+τ)为滑动窗口内的非中心像素x
k
在t+τ时刻探测到的光子数，<n
i
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
i
求平均，<n
k
>表示对采集图像序列在同一滑动窗口内的所有n
k
求平均，显然i≠k，τ为不同帧的延迟，K为非中心像素的数量。4.根据权利要求3所述的囚禁离子光学超分辨成像方法，其特征在于，所述基于各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，包括：对延迟τ＝0时的各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联值g
(2)
(x
i
,0)求平均，得到各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联平均值根据各滑动窗口内的中心像素与非中心像素的二阶强度关联平均值计算二阶反聚束信号，得到离子超分辨率成像图，所述二阶反聚束信号为：5.根据权利要求2所述的囚禁离子光学超分辨成像方法，其特征在于，计算所述采集图
像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值，包括：基于三阶强度关联函数计算所述采集图像序列在同一滑动窗口内的中心像素与非中心像素的三阶强度关联值，所述三阶强度关联函数为：式中，g
(3)
(x
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