研究:单像素检测的量子点红外高光谱成像

在《光：科学与应用》期刊上发表的一项研究中，山东大学的孙宝清教授和高远教授的研究团队提出了一种创新的近红外高光谱成像技术。该技术通过结合自组装胶体量子点（CQD）滤波器和数字微镜器件（DMD），实现了对物质的光谱和空间特征的高效编码与重建。

高光谱成像技术能够提供丰富的三维光谱空间信息，对于材料识别和目标表征具有重要价值，广泛应用于化学、农业和军事等领域。然而，传统的高光谱成像技术依赖于色散光学元件和窄带滤光片，存在一定的局限性，同时大规模制造InGaAs探测器阵列也面临挑战。

为了克服这些限制，研究团队开发了一种新的编码方法，利用CQDs的可调谐吸收特性设计了近红外滤波器。CQDs的透射谱线具有独特的激子吸收结构，这使得它们在光谱编码方面比传统滤光片更具优势。通过将CQD滤波器与DMD结合，并采用单像素检测器和压缩感知算法，研究团队能够将CQD滤波器的透射光谱与DMD产生的图案相关联，从而实现对物体的光谱和图像数据的协同重建。

在实验中，使用钨卤灯发出的白光照射物体，其红外成分覆盖200至3000纳米的波长范围。透镜将物体的图像投射到DMD上，DMD与CQD滤波器一起对物体的空间和光谱特征进行编码。随后，单像素InGaAs探测器记录下整体信号。通过分析记录的光强与CQD滤波器及DMD的调制关系，实现了对每个像素的图像和光谱信息的高效重建。

研究者指出，这种结合单像素探测器和CQD滤波器的方法，消除了传统高光谱成像系统中对昂贵的2D阵列传感器的需求，简化了系统设计并降低了成本。同时，该系统在光谱重建和空间分辨方面展现出了高效能力，显示出在开发经济实惠且便携的高光谱成像设备方面的巨大潜力。此外，研究团队的策略通过在高光谱数据立方体上直接应用压缩感知算法，实现了光谱和图像的同时和交织重建，这种方法有望提高高光谱成像过程的效率。