圖1.膠體量子點濾波片實物圖和透射電子顯微鏡圖像

短波紅外(SWIR)高光譜成像是一種極具應用潛力的探測技術，它能夠捕獲短波紅外光譜范圍內的三維(3D)光譜空間信息，使得基于光譜特征的材料和目標的識別和表征成為可能。這種技術在化學分析、物料鑒定、農業生產、食品工業、質量控制等領域有廣泛應用。然而，InGaAs焦平面陣列(FPA)的高成本限制了短波紅外高光譜成像的廣泛采用。近日，信息科學與工程學院、激光與紅外系統集成教育部重點實驗孫寶清教授與高原教授領導的科研團隊在光學頂級刊物《Light: Science & Applications》發表了題為“Quantum dot-enabled infrared hyperspectral imaging with single-pixel detection”的研究成果，為這一難題提供了可能的解決方案。

隨著算法的進步和算力的提升，基于寬譜段光編碼的計算光譜重構引起了越來越多的關注。基于膠體量子點(CQD)的光譜編碼和重建最早由2023年諾貝爾化學獎得主Bawendi教授于2015年提出。CQD可以通過調控其大小和化學成分來連續地調制其吸收特性，波長范圍涵蓋紫外到中紅外。因此，利用膠體量子點可以方便地實現寬光譜范圍的光譜調制和編碼。此外，CQD的透射特征譜線具有明顯的激子吸收結構，相較于傳統濾色片，具有更高的光譜編碼隨機性和編碼效率。

在本研究中，研究團隊通過調控量子點合成條件，得到覆蓋短波紅外范圍的一系列單分散硫化鉛(PbS)量子點。通過控制CQD表面特性和溶液蒸發速度，可以獲得基于CQD自組裝結構的短波紅外濾波片，從而提高CQD對紅外光吸收的效率。最終得到一組透射特征各異的量子點濾波片，實現覆蓋短波紅外波段的光譜編碼。

圖2.量子點短波紅外高光譜成像系統示意圖

在高光譜圖像的處理和分析過程中，可以將圖像表示為3D (x,y,λ)數據立方體，其中x和y表示場景的兩個空間維度，λ表示光譜維度。在傳統高光譜成像方案中，該數據立方體通常是通過空間或光譜掃描獲得的。為了避免昂貴的2D短波紅外傳感器和復雜的波長選擇組件，如圖2所示，本研究利用CQDs和數字微鏡陣列(DMD)對光譜和空間信息進行編碼。通過利用單像素探測器和壓縮感知算法，可以將CQD濾波片的透射光譜與DMD產生的投影圖案相關聯，從而得到高分辨率的短波紅外高光譜圖像。每個像素都包含完整的光譜特征，實現了基于單像素探測原理的光譜和空間維度的協同重建。

該研究團隊利用自組裝膠體量子點濾色片和數字微鏡設備對短波紅外光譜和空間信息進行編碼，并采用單像素探測原理對光譜和圖像信息進行協同重建。該項工作表明，這種方法能夠得到高質量的短波紅外高光譜成像結果，其光譜和空間數據與參考儀器所測結果精確吻合，成功實現了基于量子點的紅外高光譜單像素成像。由于量子點器件具有工藝簡單、靈活、成本低等優勢，因此有望實現低成本、微型化的光譜編碼芯片，在高光譜成像系統中實現高效的寬光譜編碼。通過將量子點和單像素探測器相結合，能夠有效降低系統的復雜性和成本，從而有望推動短波紅外高光譜成像技術在民用領域中的更廣泛應用。

信息科學與工程學院、激光與紅外系統集成技術教育部重點實驗室孫寶清教授和高原教授為通訊作者，2023級博士研究生孟賀巖為第一作者。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、山東省泰山學者青年專家項目、山東大學青年交叉科學創新群體、以及山東大學齊魯青年學者等科研項目的資助。

審核編輯 黃宇