山東大學(xué)在量子點(diǎn)單像素成像方面取得新進(jìn)展

圖1.膠體量子點(diǎn)濾波片實(shí)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(yīng)用潛力的探測技術(shù)，它能夠捕獲短波紅外光譜范圍內(nèi)的三維(3D)光譜空間信息，使得基于光譜特征的材料和目標(biāo)的識(shí)別和表征成為可能。這種技術(shù)在化學(xué)分析、物料鑒定、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食品工業(yè)、質(zhì)量控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(xué)與工程學(xué)院、激光與紅外系統(tǒng)集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)孫寶清教授與高原教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在光學(xué)頂級(jí)刊物《Light: Science & Applications》發(fā)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(jìn)步和算力的提升，基于寬譜段光編碼的計(jì)算光譜重構(gòu)引起了越來越多的關(guān)注。基于膠體量子點(diǎn)(CQD)的光譜編碼和重建最早由2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Bawendi教授于2015年提出。CQD可以通過調(diào)控其大小和化學(xué)成分來連續(xù)地調(diào)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(diǎn)可以方便地實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍的光譜調(diào)制和編碼。此外，CQD的透射特征譜線具有明顯的激子吸收結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)濾色片，具有更高的光譜編碼隨機(jī)性和編碼效率。

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控量子點(diǎn)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(diǎn)。通過控制CQD表面特性和溶液蒸發(fā)速度，可以獲得基于CQD自組裝結(jié)構(gòu)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(diǎn)濾波片，實(shí)現(xiàn)覆蓋短波紅外波段的光譜編碼。

圖2.量子點(diǎn)短波紅外高光譜成像系統(tǒng)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(shù)據(jù)立方體，其中x和y表示場景的兩個(gè)空間維度，λ表示光譜維度。在傳統(tǒng)高光譜成像方案中，該數(shù)據(jù)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(fù)雜的波長選擇組件，如圖2所示，本研究利用CQDs和數(shù)字微鏡陣列(DMD)對光譜和空間信息進(jìn)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(chǎn)生的投影圖案相關(guān)聯(lián)，從而得到高分辨率的短波紅外高光譜圖像。每個(gè)像素都包含完整的光譜特征，實(shí)現(xiàn)了基于單像素探測原理的光譜和空間維度的協(xié)同重建。

該研究團(tuán)隊(duì)利用自組裝膠體量子點(diǎn)濾色片和數(shù)字微鏡設(shè)備對短波紅外光譜和空間信息進(jìn)行編碼，并采用單像素探測原理對光譜和圖像信息進(jìn)行協(xié)同重建。該項(xiàng)工作表明，這種方法能夠得到高質(zhì)量的短波紅外高光譜成像結(jié)果，其光譜和空間數(shù)據(jù)與參考儀器所測結(jié)果精確吻合，成功實(shí)現(xiàn)了基于量子點(diǎn)的紅外高光譜單像素成像。由于量子點(diǎn)器件具有工藝簡單、靈活、成本低等優(yōu)勢，因此有望實(shí)現(xiàn)低成本、微型化的光譜編碼芯片，在高光譜成像系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效的寬光譜編碼。通過將量子點(diǎn)和單像素探測器相結(jié)合，能夠有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，從而有望推動(dòng)短波紅外高光譜成像技術(shù)在民用領(lǐng)域中的更廣泛應(yīng)用。

信息科學(xué)與工程學(xué)院、激光與紅外系統(tǒng)集成技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫寶清教授和高原教授為通訊作者，2023級(jí)博士研究生孟賀巖為第一作者。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、山東省泰山學(xué)者青年專家項(xiàng)目、山東大學(xué)青年交叉科學(xué)創(chuàng)新群體、以及山東大學(xué)齊魯青年學(xué)者等科研項(xiàng)目的資助。

審核編輯 黃宇