近期，由于成本降低和耐用性優(yōu)異，單像素相機(jī)有望成為多像素傳感器的替代品，這對于與工業(yè)檢測和生物醫(yī)學(xué)診斷等應(yīng)用相關(guān)的中紅外（MIR）成像特別有吸引力。迄今為止，中紅外單像素光子稀疏成像尚未實(shí)現(xiàn)，這迫切需要高靈敏度的光學(xué)探測器和高保真空間調(diào)制器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華東師范大學(xué)曾和平教授與黃坤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level”的論文，提出了一種基于非線性空間編碼的紅外上轉(zhuǎn)換單像素成像新方法，利用硅基單像元探測器實(shí)現(xiàn)了超靈敏中紅外單光子成像，為發(fā)展可室溫工作的紅外光子測控技術(shù)與器件提供了新途徑，有望將其應(yīng)用于分子光譜、天文觀測、生物醫(yī)學(xué)診斷、材料檢測與環(huán)境遙感等諸多領(lǐng)域。

圖1 基于非線性結(jié)構(gòu)探測的中紅外單像素成像

中紅外成像為生物醫(yī)學(xué)診斷、缺陷檢測、分子光譜和遙感等多種應(yīng)用賦能，推動其不斷向前發(fā)展。在這些設(shè)想的場景中，人們非常需要高靈敏的中紅外響應(yīng)，以便在檢測靈敏度、工作距離或無創(chuàng)檢測能力方面顯著提高其性能，這對低光子通量的場景特別有意義，例如，光敏材料痕量檢測、散射介質(zhì)穿透成像，以及生物樣本的無光毒性檢驗(yàn)等。

然而，對高靈敏度中紅外成像儀的迫切需求向傳統(tǒng)的焦平面陣列（FPA）提出了挑戰(zhàn)，這些陣列仍面臨一些技術(shù)限制，包括高暗噪聲、低像素?cái)?shù)和熱敏感性。此外，焦平面陣列通常需要面臨昂貴的制造工藝、低溫工作條件和嚴(yán)格的終端用戶控制等考驗(yàn)。值得注意的是，新興的膠體量子點(diǎn)、黑磷、石墨烯和碲納米片等低維材料，在室溫下感知紅外光子方面具有廣闊的前景，盡管其在抑制暗電流以提高靈敏度和大面積沉積以增加像素方面存在亟待解決的難題。迄今為止，在室溫下實(shí)現(xiàn)單光子中紅外直接成像仍然是一項(xiàng)長期的探索任務(wù)。

近年來，所謂的單像素相機(jī)通過將單像元探測器與空間編碼掩碼相結(jié)合，提供了一種替代的成像架構(gòu)。具體而言，一個空間光調(diào)制器（SLM）被放置在目標(biāo)場景之前或之后，以生成一系列定義良好的圖案，而相關(guān)的光強(qiáng)則由一個沒有空間分辨率的探測器同步測量。無需緩慢的機(jī)械掃描或昂貴的多像素探測器，這種計(jì)算成像模式可提供實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢。與像素化成像器件相比，單像素探測器的另一個顯著特征是更快的時間響應(yīng)，從而有利于時間分辨成像或高分辨率表面輪廓分析。

此外，通過采用壓縮感知和機(jī)器學(xué)習(xí)的先進(jìn)算法，研究人員進(jìn)一步改善了單像素成像方法，使其能夠?qū)崿F(xiàn)sub-Nyquist采樣的高幀率視頻拍攝和有限光子的低光可視化。然而，由于高性能光學(xué)探測器和空間調(diào)制器的可用性，用于光子稀疏成像的單像元方案迄今為止僅限于在可見光或近紅外波段運(yùn)行。如今，對于上述應(yīng)用，迫切需要將工作波長擴(kuò)展到中紅外區(qū)域。

通過使用少數(shù)像素的紅外傳感器，中紅外壓縮成像的開創(chuàng)性演示已被報(bào)道，但其靈敏度遠(yuǎn)低于單光子水平。除了缺乏單光子探測器之外，在中紅外區(qū)域?qū)崿F(xiàn)單像素成像的另一個限制因素在于基于液晶或MEMS微鏡的傳統(tǒng)空間光調(diào)制器的工作波長范圍。盡管MEMS微鏡的反射率可擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，但數(shù)字微鏡器件（DMD）應(yīng)用光強(qiáng)調(diào)制的能力受到寄生衍射效應(yīng)的限制，尤其在較長波長情況下，寄生衍射效應(yīng)主導(dǎo)了光束調(diào)控。

與此同時，石墨烯超構(gòu)表面的最新技術(shù)進(jìn)展可實(shí)現(xiàn)高速中紅外調(diào)制器，但其仍處于起步階段，原型僅有6?×?6個功能像素。迄今為止，中紅外單光子計(jì)算成像尚未實(shí)現(xiàn)，為揭示單像素方案的全部潛力，迫切需要開發(fā)新的技術(shù)來應(yīng)對中紅外波長下單光子探測和高分辨率調(diào)制面臨的挑戰(zhàn)。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于非線性空間編碼的紅外上轉(zhuǎn)換單像素成像新方法，利用硅基單像元探測器實(shí)現(xiàn)了超靈敏中紅外單光子成像。該方法基于非線性結(jié)構(gòu)探測，其中編碼的時變泵浦圖案通過和頻產(chǎn)生被光學(xué)印刷到中紅外物體圖像上。同時，中紅外輻射被光譜轉(zhuǎn)換為可見光區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)紅外單光子上轉(zhuǎn)換探測。然后，使用壓縮感知和深度學(xué)習(xí)的先進(jìn)算法，使其能夠在sub-Nyquist采樣和低光子照明下重建中紅外圖像。

圖2 基于Hadamard編碼的中紅外單像素成像

值得注意的是，通過光譜-時間優(yōu)化的脈沖泵浦，研究團(tuán)隊(duì)顯著提高了所搭建的中紅外單像素成像系統(tǒng)的靈敏度，使其在照明強(qiáng)度降至0.5光子/脈沖的情況下依然可實(shí)現(xiàn)單光子成像。此外，研究團(tuán)隊(duì)利用基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值降噪器，以25%的欠采樣率實(shí)現(xiàn)了單光子級別的中紅外壓縮成像。

圖3 中紅外光子稀疏單像素成像

圖4 中紅外單光子壓縮成像

綜上所述，本文提出的單像素成像方案具有單光子水平的上轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)探測的特點(diǎn)，這將為低光子通量場景下的中紅外應(yīng)用開辟新的可能性，例如在隱蔽成像和生物成像應(yīng)用中。

審核編輯：劉清