近红外（NIR）高光谱成像是一种功能强大的光电探测技术，可以捕获近红外光谱范围内的三维光谱空间信息，具有广泛的应用前景。然而，InGaAs焦平面阵列（FPA）的高成本阻碍了近红外高光谱成像的普及应用。
据麦姆斯咨询报道，为了避免使用昂贵的二维阵列近红外传感器和复杂的波长选择元件，使近红外高光谱成像仪在日常使用中更加经济实惠，近日，山东大学的科研团队提出了一种可能的解决方案，即采用胶体量子点滤光片和单像素探测相结合的近红外高光谱成像。这项研究表明，单像素探测优于传统的焦平面阵列，为光谱和成像重建提供了更高的信噪比（SNR）。为了实现这一策略，研究人员利用自组装胶体量子点和数字微镜器件（DMD）实现近红外光谱和空间信息复用，并辅以单像素探测来进行光谱和图像同步重建。该解决方案避免了昂贵且笨重的焦平面阵列和波长选择元件，有望推动经济实惠且易于获得的近红外高光谱成像技术，从而扩大其潜在应用范围。这项研究成果以“Quantum dot-enabled infrared hyperspectral imaging with single-pixel detection”为主题发表在Light: Science & Applications期刊上，通讯作者为高原教授和孙宝清教授。
与传统的近红外焦平面阵列（如图1a）不同，这项研究的高光谱成像系统采用了单像素探测（如图1b）。该系统利用数字微镜器件和胶体量子点滤光片，对物体的空间和光谱特征进行编码。整体信号通过单像素InGaAs探测器记录下来。随后通过将记录的光强与胶体量子点滤光片和数字微镜器件实现的光谱和空间调制相关，可有效地重建物体图像，并获得图像内每个像素的光谱信息。该近红外高光谱成像系统可以捕获具有空间分辨率的图像，同时提供全面的光谱细节。图1c和图1d展示了利用焦平面阵列和单像素探测器对字母“SDU”进行高光谱成像的结果。
图1 采用焦平面阵列与单像素探测器的胶体量子点高光谱成像之间的比较
这项研究采用计算方法来重建图像的光谱和空间信息。为了获得目标的光谱信息，需要以光谱可控的方式对入射光场进行编码和调制。研究人员通过控制硫化物前驱体的注入温度和油酸用量，合成了一系列不同尺寸的硫化铅（PbS）胶体量子点。为了制造胶体量子点滤光片，研究人员将PbS胶体量子点溶液滴注到玻璃衬底上，并让溶液缓慢蒸发。PbS胶体量子点及其滤光片相关表征结果如图2所示。
图2 PbS胶体量子点滤光片的表征
为了展示阶梯状边通（edge-pass）滤光片和胶体量子点滤光片在光谱分辨能力上的差异，研究人员利用这两种滤光片编码和重建了一对半高全宽（FWHM）1 nm的高斯峰，并且具有不同的分离距离。使用这两种滤光片获得的光谱重建结果的对比如图3c至图3f所示。为了探究光谱分辨率与光谱重建中使用的PbS胶体量子点滤光片数量之间的关系，研究人员进行了数值模拟，相关结果如图4所示。
图3 两种滤光片光谱分辨能力的比较
图4 两种滤光片光谱分辨率的表征
为了评估该系统的光谱重建能力，研究人员测量了两个近红外LED（发光二极管）的发射光谱，其峰值分别为1350 nm和1500 nm。随后他们重建了LED的高光谱图像，并根据波长应用了伪彩色。如图5a所示，左侧LED发出的波长比右侧LED更长。提取两个LED的光谱信息可得重建的光谱（如图5b和图5c中虚线），重建光谱与商用光谱仪获得的光谱相吻合。研究人员还进行了透射物体的高光谱成像，如图5d-5f所示。
图5 发射和透射物体的高光谱图像
近红外高光谱成像可对样品进行非破坏性成像，因此在如制药、食品加工和文化遗产保护等对样品完整性要求较高的领域具有重要应用价值。图6展示了新鲜娇嫩草莓的高光谱成像结果。
图6 反射物体的高光谱图像
综上所述，这项研究提出了一种采用胶体量子点滤光片和单像素探测相结合的近红外高光谱成像仪。与传统的焦平面阵列相比，单像素探测提供了更强的噪声容限；而与边通滤光片相比，胶体量子点滤光片提高了光谱分辨率。值得注意的是，重建的光谱与商用光谱仪表现出良好的一致性，也证实了该方法的准确性和可靠性。通过利用胶体量子点灵活的制造工艺和光场调制技术的进步，该系统有望实现光谱和空间调制模块微型化，最终实现整个高光谱成像系统的微型化。通过将单像素探测器与胶体量子点滤光片相结合，避免了传统高光谱成像系统中通常采用昂贵的二维阵列传感器的需求，从而降低了整个系统的复杂性和成本。此外，这项研究策略还集成了光谱和空间编码，通过在高光谱数据立方体上直接应用压缩感知算法，可同时重建光谱和图像。这种方法不同于将算法单独应用于光谱和空间维度，有望实现更高效的高光谱成像过程。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01476-4
