非視域成像（NLOS）可借助墻壁、地面等中介面，接收經過多次散射的回波光子，實現拐角后隱藏目標探測，是計算成像前沿研究方向。實際實驗中普遍遇到兩大難題：中介面并非理想反射鏡面，復雜散射帶來圖像光暈、分辨率下降；不同路徑光子信號混疊，造成三維目標重構失真。很多科研人員僅關注激光與重建算法，忽略中介面散射特性建模，導致實驗復現困難、成像效果達不到預期。

基于時間門控 SPAD（單光子雪崩二極管）陣列的凝視型非視域成像方案，憑借單光子靈敏度、納秒?皮秒級時間門控能力，可以篩選有效回波光子；結合 BRDF 雙向反射分布函數對中介面散射行為建模，能夠改善重建質量。SPAD5122（SPAD512S）陣列相機是該方向主流科研硬件，昊量光電/星朗浩宇作為國內授權代理，為非視域成像、單光子探測相關課題提供設備與本地化技術支持。

一、非視域成像核心痛點：中介面散射帶來的成像干擾

非視域成像依靠中介面完成光子的二次反射中轉，現實建筑墻面、瓷磚等中介面會產生漫散射，帶來兩類典型干擾：

1. 空間干擾：散射光子在探測器上形成散斑、光暈，降低圖像對比度與空間分辨率；

2. 時序信號混疊：不同飛行路徑光子時間相互重疊，難以區分目標真實回波，造成三維重構出現偏差。

因此，對中介面開展 BRDF（雙向反射分布函數）測量、建模，獲取粗糙度、折射率、漫反射系數等先驗參數，是提升非視域成像重建精度的重要基礎。本研究選用 Cook?Torrance 微面元物理模型描述中介面散射行為。

二、技術原理：時間門控 SPAD 陣列與 Cook?Torrance BRDF 模型

2.1 時間門控 SPAD 陣列成像原理

短脈沖激光照射中介面，SPAD 陣列利用時間門控機制，只采集特定時間窗口返回的光子，過濾中介面直接反射的強噪聲信號。物理上可以等效為一臺虛擬相機對隱藏目標直接成像；中介面散射等效為光路中角度相關的衰減、擴散環節，由 BRDF 函數定量描述。

2.2 Cook?Torrance（CT）散射模型

模型基于微面元理論，將材料表面拆解大量微小鏡面單元，BRDF 拆分為漫反射分量與鏡面反射分量。鏡面反射部分由三項關鍵函數組成：

• D 法線分布函數：表征微面元法線分布，關聯表面粗糙度參數 m；

• G 幾何衰減函數：描述微面元之間互相遮擋陰影效應；

• F 菲涅爾反射率：和材料折射率 n?相關，表征不同入射角反射占比。

完整 CT 模型需要 4 組特征參數：粗糙度 m、折射率 n?、漫反射系數 k_d、鏡面反射系數 k_s，用來完整表征材料散射特性。

三、實驗流程：BRDF 測量、數據處理與模型擬合

1. 樣品 BRDF 原始數據采集選取黑色光亮磚、白色亞光磚、黑色防護擋板三類典型建筑中介面材料；在鏡面反射方向附近做加密角度采樣，捕捉散射強度快速變化。

2. 異常數據清洗與參數求解使用 RANSAC 隨機采樣一致性算法剔除測量壞點；采用遺傳算法 GA 全局優化，最小化實測數據和模型預測的誤差，反演得到每種材料 CT 模型四組特征參數，規避局部優解。

3. 模型有效性驗證同一材料在不同入射角下擬合得到的特征參數一致性良好；使用得到參數預測其他角度 BRDF 響應，實測與預測相對誤差多數控制在 5% 以內，證明 CT 模型描述中介面散射的可行性。

四、SPAD5122（SPAD512S）陣列探測器核心硬件參數

SPAD5122 是開展時間門控非視域成像的核心探測硬件，關鍵指標：

1. 陣列規模：512×512 SPAD 像素陣列；

2. 時間門控性能：最小門控寬度 6 ns，門控延遲步進 17 ps；

3. 成像幀率：400 fps（8bit）、5000 fps（4bit）、最高 100000 fps（1bit）；

4. 探測能力：單光子靈敏度，零讀出噪聲；光譜響應 400?950nm；暗計數＜25 cps；

5. 工作模式：支持連續強度積分、門控選通層析積分；可同步外部激光觸發。

設備價值：依靠皮秒?納秒級精細時間門控，區分不同飛行時間回波光子，捕捉經過多次散射之后的極微弱非視域回波信號，完成凝視式二維陣列采集，區別于單點 SPAD 掃描方案。

五、研究價值與適用科研方向

? 建立典型中介材料 BRDF 參數庫，為非視域重建算法提供物理先驗；

? 將散射模型嵌入重建流程，降低散射光暈干擾，提升隱藏目標重建精度；

 ? 指導 SPAD 系統門控窗口、光路布局優化，提升整機信噪比。

主要適配課題方向：

1. 非視域 NLOS 成像算法與系統搭建；

2. 單光子計算成像、光子飛行時間探測；

3. BRDF 光學材料散射特性表征；

4. FLIM 熒光壽命成像、相量分析等其他 SPAD 陣列應用。

   
   

六、昊量光電/星朗浩宇配套供貨與技術服務

SPAD5122 單光子陣列相機，昊量光電/星朗浩宇提供完整科研配套支持：

1. 售前選型評估，結合實驗波段、時間門控、幀率需求給出配置建議；

2. 設備供貨，協助對接脈沖激光、同步觸發系統；

3. 軟件使用培訓，MATLAB/Python 二次開發咨詢；

4. 本地化售后技術響應。

七、FAQ 

Q1：時間門控 SPAD 陣列對比單點掃描 SPAD，非視域成像有什么優勢？

 A：SPAD5122 為 512×512 面陣凝視采集，不需要振鏡掃描，一次獲取二維圖像數據，簡化系統結構，提升成像采集效率。

Q2：為什么做非視域成像需要測量中介面 BRDF？

 A：中介面散射會帶來光暈、信號混疊；BRDF 得到材料散射參數，作為算法先驗，可以降低散射帶來的重建失真。

Q3：SPAD5122 最小門控與步進是多少？

 A：最小門控寬度 6 ns，門控延遲調節步進 17 ps，能夠精細篩選不同飛行時間光子回波。

Q4：該相機除非視域成像還可以做哪些實驗？ 

A：同時支持 FLIM 熒光壽命成像、TCSPC 時間相關單光子計數、微弱光高速成像等科研實驗。

八、總結

時間門控 SPAD 陣列是非視域成像走向實用化的重要硬件路線。中介面的復雜散射是制約重建質量的關鍵因素，通過 BRDF 雙向反射分布函數結合 Cook?Torrance 物理模型完成散射特性表征，可以為重建算法提供可靠先驗條件。SPAD5122（SPAD512S）憑借單光子靈敏度、納秒?皮秒級精細時間門控、面陣凝視采集能力，可支撐 NLOS 非視域成像及其他單光子時間分辨科研。

如果你正在搭建非視域成像、單光子探測實驗平臺，可訪問昊量光電/星朗浩宇產品頁面查閱 SPAD5122 完整規格，聯系技術人員開展選型評估。

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