近期，由于成本降低和耐用性優異，單像素相機有望成為多像素傳感器的替代品，這對于與工業檢測和生物醫學診斷等應用相關的中紅外（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現，這迫切需要高靈敏度的光學探測器和高保真空間調制器。

據麥姆斯咨詢報道，近期，華東師范大學曾和平教授與黃坤研究員領導的研究團隊在Nature Communications期刊上發表了題為“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換單像素成像新方法，利用硅基單像元探測器實現了超靈敏中紅外單光子成像，為發展可室溫工作的紅外光子測控技術與器件提供了新途徑，有望將其應用于分子光譜、天文觀測、生物醫學診斷、材料檢測與環境遙感等諸多領域。

圖1 基于非線性結構探測的中紅外單像素成像

中紅外成像為生物醫學診斷、缺陷檢測、分子光譜和遙感等多種應用賦能，推動其不斷向前發展。在這些設想的場景中，人們非常需要高靈敏的中紅外響應，以便在檢測靈敏度、工作距離或無創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、散射介質穿透成像，以及生物樣本的無光毒性檢驗等。

然而，對高靈敏度中紅外成像儀的迫切需求向傳統的焦平面陣列（FPA）提出了挑戰，這些陣列仍面臨一些技術限制，包括高暗噪聲、低像素數和熱敏感性。此外，焦平面陣列通常需要面臨昂貴的制造工藝、低溫工作條件和嚴格的終端用戶控制等考驗。值得注意的是，新興的膠體量子點、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，在室溫下實現單光子中紅外直接成像仍然是一項長期的探索任務。

近年來，所謂的單像素相機通過將單像元探測器與空間編碼掩碼相結合，提供了一種替代的成像架構。具體而言，一個空間光調制器（SLM）被放置在目標場景之前或之后，以生成一系列定義良好的圖案，而相關的光強則由一個沒有空間分辨率的探測器同步測量。無需緩慢的機械掃描或昂貴的多像素探測器，這種計算成像模式可提供實用性和經濟性的優勢。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，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器學習的先進算法，研究人員進一步改善了單像素成像方法，使其能夠實現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，由于高性能光學探測器和空間調制器的可用性，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行。如今，對于上述應用，迫切需要將工作波長擴展到中紅外區域。

通過使用少數像素的紅外傳感器，中紅外壓縮成像的開創性演示已被報道，但其靈敏度遠低于單光子水平。除了缺乏單光子探測器之外，在中紅外區域實現單像素成像的另一個限制因素在于基于液晶或MEMS微鏡的傳統空間光調制器的工作波長范圍。盡管MEMS微鏡的反射率可擴展到遠紅外，但數字微鏡器件（DMD）應用光強調制的能力受到寄生衍射效應的限制，尤其在較長波長情況下，寄生衍射效應主導了光束調控。

與此同時，石墨烯超構表面的最新技術進展可實現高速中紅外調制器，但其仍處于起步階段，原型僅有6?×?6個功能像素。迄今為止，中紅外單光子計算成像尚未實現，為揭示單像素方案的全部潛力，迫切需要開發新的技術來應對中紅外波長下單光子探測和高分辨率調制面臨的挑戰。

基于此，研究團隊提出了一種基于非線性空間編碼的紅外上轉換單像素成像新方法，利用硅基單像元探測器實現了超靈敏中紅外單光子成像。該方法基于非線性結構探測，其中編碼的時變泵浦圖案通過和頻產生被光學印刷到中紅外物體圖像上。同時，中紅外輻射被光譜轉換為可見光區域，從而實現紅外單光子上轉換探測。然后，使用壓縮感知和深度學習的先進算法，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-時間優化的脈沖泵浦，研究團隊顯著提高了所搭建的中紅外單像素成像系統的靈敏度，使其在照明強度降至0.5光子/脈沖的情況下依然可實現單光子成像。此外，研究團隊利用基于深度卷積神經網絡的數值降噪器，以25%的欠采樣率實現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換結構探測的特點，這將為低光子通量場景下的中紅外應用開辟新的可能性，例如在隱蔽成像和生物成像應用中。

審核編輯：劉清