近紅外（NIR）高光譜成像是一種功能強(qiáng)大的光電探測(cè)技術(shù)，可以捕獲近紅外光譜范圍內(nèi)的三維光譜空間信息，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，InGaAs焦平面陣列（FPA）的高成本阻礙了近紅外高光譜成像的普及應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了避免使用昂貴的二維陣列近紅外傳感器和復(fù)雜的波長(zhǎng)選擇元件，使近紅外高光譜成像儀在日常使用中更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，近日，山東大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種可能的解決方案，即采用膠體量子點(diǎn)濾光片和單像素探測(cè)相結(jié)合的近紅外高光譜成像。這項(xiàng)研究表明，單像素探測(cè)優(yōu)于傳統(tǒng)的焦平面陣列，為光譜和成像重建提供了更高的信噪比（SNR）。為了實(shí)現(xiàn)這一策略，研究人員利用自組裝膠體量子點(diǎn)和數(shù)字微鏡器件（DMD）實(shí)現(xiàn)近紅外光譜和空間信息復(fù)用，并輔以單像素探測(cè)來(lái)進(jìn)行光譜和圖像同步重建。該解決方案避免了昂貴且笨重的焦平面陣列和波長(zhǎng)選擇元件，有望推動(dòng)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于獲得的近紅外高光譜成像技術(shù)，從而擴(kuò)大其潛在應(yīng)用范圍。這項(xiàng)研究成果以“Quantum dot-enabled infrared hyperspectral imaging with single-pixel detection”為主題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上，通訊作者為高原教授和孫寶清教授。

與傳統(tǒng)的近紅外焦平面陣列（如圖1a）不同，這項(xiàng)研究的高光譜成像系統(tǒng)采用了單像素探測(cè)（如圖1b）。該系統(tǒng)利用數(shù)字微鏡器件和膠體量子點(diǎn)濾光片，對(duì)物體的空間和光譜特征進(jìn)行編碼。整體信號(hào)通過(guò)單像素InGaAs探測(cè)器記錄下來(lái)。隨后通過(guò)將記錄的光強(qiáng)與膠體量子點(diǎn)濾光片和數(shù)字微鏡器件實(shí)現(xiàn)的光譜和空間調(diào)制相關(guān)，可有效地重建物體圖像，并獲得圖像內(nèi)每個(gè)像素的光譜信息。該近紅外高光譜成像系統(tǒng)可以捕獲具有空間分辨率的圖像，同時(shí)提供全面的光譜細(xì)節(jié)。圖1c和圖1d展示了利用焦平面陣列和單像素探測(cè)器對(duì)字母“SDU”進(jìn)行高光譜成像的結(jié)果。

圖1 采用焦平面陣列與單像素探測(cè)器的膠體量子點(diǎn)高光譜成像之間的比較

這項(xiàng)研究采用計(jì)算方法來(lái)重建圖像的光譜和空間信息。為了獲得目標(biāo)的光譜信息，需要以光譜可控的方式對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行編碼和調(diào)制。研究人員通過(guò)控制硫化物前驅(qū)體的注入溫度和油酸用量，合成了一系列不同尺寸的硫化鉛（PbS）膠體量子點(diǎn)。為了制造膠體量子點(diǎn)濾光片，研究人員將PbS膠體量子點(diǎn)溶液滴注到玻璃襯底上，并讓溶液緩慢蒸發(fā)。PbS膠體量子點(diǎn)及其濾光片相關(guān)表征結(jié)果如圖2所示。

圖2 PbS膠體量子點(diǎn)濾光片的表征

為了展示階梯狀邊通（edge-pass）濾光片和膠體量子點(diǎn)濾光片在光譜分辨能力上的差異，研究人員利用這兩種濾光片編碼和重建了一對(duì)半高全寬（FWHM）1 nm的高斯峰，并且具有不同的分離距離。使用這兩種濾光片獲得的光譜重建結(jié)果的對(duì)比如圖3c至圖3f所示。為了探究光譜分辨率與光譜重建中使用的PbS膠體量子點(diǎn)濾光片數(shù)量之間的關(guān)系，研究人員進(jìn)行了數(shù)值模擬，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。

圖3 兩種濾光片光譜分辨能力的比較

圖4 兩種濾光片光譜分辨率的表征

為了評(píng)估該系統(tǒng)的光譜重建能力，研究人員測(cè)量了兩個(gè)近紅外LED（發(fā)光二極管）的發(fā)射光譜，其峰值分別為1350 nm和1500 nm。隨后他們重建了LED的高光譜圖像，并根據(jù)波長(zhǎng)應(yīng)用了偽彩色。如圖5a所示，左側(cè)LED發(fā)出的波長(zhǎng)比右側(cè)LED更長(zhǎng)。提取兩個(gè)LED的光譜信息可得重建的光譜（如圖5b和圖5c中虛線），重建光譜與商用光譜儀獲得的光譜相吻合。研究人員還進(jìn)行了透射物體的高光譜成像，如圖5d-5f所示。

圖5 發(fā)射和透射物體的高光譜圖像

近紅外高光譜成像可對(duì)樣品進(jìn)行非破壞性成像，因此在如制藥、食品加工和文化遺產(chǎn)保護(hù)等對(duì)樣品完整性要求較高的領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。圖6展示了新鮮嬌嫩草莓的高光譜成像結(jié)果。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種采用膠體量子點(diǎn)濾光片和單像素探測(cè)相結(jié)合的近紅外高光譜成像儀。與傳統(tǒng)的焦平面陣列相比，單像素探測(cè)提供了更強(qiáng)的噪聲容限；而與邊通濾光片相比，膠體量子點(diǎn)濾光片提高了光譜分辨率。值得注意的是，重建的光譜與商用光譜儀表現(xiàn)出良好的一致性，也證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)利用膠體量子點(diǎn)靈活的制造工藝和光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步，該系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)光譜和空間調(diào)制模塊微型化，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)高光譜成像系統(tǒng)的微型化。通過(guò)將單像素探測(cè)器與膠體量子點(diǎn)濾光片相結(jié)合，避免了傳統(tǒng)高光譜成像系統(tǒng)中通常采用昂貴的二維陣列傳感器的需求，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。此外，這項(xiàng)研究策略還集成了光譜和空間編碼，通過(guò)在高光譜數(shù)據(jù)立方體上直接應(yīng)用壓縮感知算法，可同時(shí)重建光譜和圖像。這種方法不同于將算法單獨(dú)應(yīng)用于光譜和空間維度，有望實(shí)現(xiàn)更高效的高光譜成像過(guò)程。

審核編輯：彭菁