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Peter A. Morris、Reuben S. Aspden、Jessica E.C. Bell、Robert W. Boyd 和 Miles J. Padgett 是本文的主要作者，他们分别隶属于英国格拉斯哥大学物理与天文学院、加拿大渥太华大学物理系以及美国罗切斯特大学光学与物理与天文学院。这项研究于2014年8月19日收到稿件，同年11月19日接受，并于2015年1月5日在《Nature Communications》期刊上发表。

该研究主要涉及低光成像技术领域，这类技术在生物科学和安全等领域有广泛应用。传统高分辨率数码相机通常通过每个像素收集约10^5个光子来记录图像，但研究人员试图探索在极低光条件下形成图像的可能性。本研究旨在利用少量光子生成高质量图像，采用一种基于时间门控增强型相机的单光子成像系统，结合“鬼成像”（Ghost Imaging, GI）配置和压缩感知技术，从极少检测到的光子中推断出物体图像。

本研究包含以下几个主要步骤： 1. 实验设备和设置：研究使用了自发参量下转换（Spontaneous Parametric Downconversion, SPDC）过程产生的关联光子对作为光源。SPDC光源由3毫米长的非线性B-硼酸钡晶体产生，该晶体被355纳米波长的激光泵浦。光子对通过一个分束器（Beam Splitter, BS）分离到两个不同的光学路径或实验臂中。 2. 实验配置：研究包括三种不同的系统配置进行图像采集：鬼成像（GI）、预示成像（Heralded Imaging, HI）和直接成像（Direct Imaging, DI）。每种配置中，物体的位置和触发机制不同。 3. 数据采集：通过ICCD相机（Intensified CCD Camera）采集图像，每次曝光时间为2秒，共900帧。实验过程中，相机的增强器会在每次接收到触发脉冲时启动。 4. 图像重建算法：为了处理低光子流的数据集，研究人员应用了图像压缩和重建技术。通过定义一个优化函数 ( m )，结合泊松统计特性和空间频率域的稀疏性，重建图像。优化过程包括随机改变像素强度值并计算优值函数，直到找到最大化优值函数的图像。

研究结果表明，在GI和HI配置下，可以清晰地获得测试目标的图像，对比度约为0.7；而在DI配置下，由于激光重复率和增强器触发周期的独立性，只能获得非常模糊的图像，对比度仅为0.2。通过对图像数据进行重建，研究人员成功地用少于7000个检测到的光子重建了USAF测试目标的图像，相当于每个图像像素少于0.2个光子。此外，研究人员还对黄蜂翅膀进行了低光子数成像，获得了平均每个像素0.45个光子的图像。

本研究得出的结论是，在极低光条件下，结合压缩感知技术和预示单光子检测，可以从极少的光子中重建高质量图像。这为低光成像技术提供了新的方法，尤其适用于需要避免高光子通量损害样品的生物成像和隐蔽成像应用。

本研究的亮点在于： 1. 创新的成像系统：利用SPDC光源和ICCD相机，结合预示单光子检测，实现了极低光条件下的高质量成像。 2. 新颖的图像重建算法：通过结合泊松统计特性和空间频率域的稀疏性，开发了一种优化函数，能够在极少光子的情况下重建图像。 3. 实际应用价值：研究成果不仅在理论上推动了量子成像和压缩感知技术的发展，还在生物成像和安全成像等实际应用中具有重要意义。

此外，本研究还展示了如何通过调节正则化因子 ( \lambda ) 来平衡重建图像的似然性和空间频率参与度，从而获得主观上最佳的图像质量。这种灵活性使得该方法能够适应不同类型的图像数据，进一步增强了其应用潜力。