【光电进展】INRS项目增强单像素成像

扫频扫描方式可实现更快帧速率以捕捉快速运动。基于该原理的单像素成像 (SPI)和光学平台可用于避免2D CMOS传感器的复杂性、或用于无法使用传感器阵列的地方，并可以更快速成像，如麻省理工学院媒体实验室开发的单像素架构，其计算分析可实现在摄影应用中的无透镜时间分辨成像。

SPI平台中的成像通常涉及某种形式的空间光调制，以构造落在探测器上的光，并根据撞击单个像素的时变图案和强度计算重建图像。类似的光学掩模方法已用于传统成像平台以取代传统光学模式。

然而，根据魁北克国家科学研究院（INRS）的一个项目表明，在SPI平台中使用数字微镜器件（DMD）作为空间光调制器通常不能产生快于100fps的2D成像速度。

INRS 团队现在展示了一种通过扫描聚集模式加速的单像素成像(SPI-ASAP)的改进技术，它结合了DMD和激光扫描硬件。研究结果发表在《Nature Communications》上。

在新平台中，激光由一个16子面的多边形反射镜调制，快速将单个编码掩码传送到探测器。这些掩码本身是通过DMD显示的更大聚合模式的子区域，系统扫描这个更大的区域，并分次传送扫描后的编码。

该项目在其发表的论文中评论道，“模式聚合理论将SPI数据采集率提高到比仅DMD调制的限制高出两个数量级以上，同时仍保留模式显示的高像素和灵活性。”之后，压缩传感图像处理操作可以根据接收到的数据重建图像。

在试验中，SPI-ASAP在传输模式下被用来对一个钟摆的振荡进行成像，在反射模式下被用来对一个手表装置的内部部件进行成像。在后一种情况下，手表摆轮的2.5Hz振荡在14×14mm的视野内以103fps的帧速率成功成像，图像分析系统从结构照明下组件的移动交替变暗和变亮的点中重建强度数据。

整个试验中，该项目证实该平台能够以100fps的速度进行实时视频，而在离线操作中，如果数据采集过程与多边形镜的最大扫描速率相匹配，则可能以高达12000fps的速度成像。

根据INRS的说法，DMD和激光扫描硬件的增强应该会进一步提高性能，下一代图像重建算法也是如此。基本架构本质上是通用的，可以适应许多不同的配置。

（八三五八所 张雨彤）

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