单像素成像技术的新突破：基于块扫描的单光子级近红外成像

一、背景

单像素成像（SPI）技术因其在弱光探测中的高效性而备受关注。然而，传统SPI技术在成像过程中需要大量的光子积累来提高信噪比（SNR），这不仅增加了成像时间，还可能导致探测器因多光子同时到达而产生信号堆积效应，从而降低成像质量。此外，高分辨率阵列探测器的稀缺也限制了SPI技术的广泛应用。为了解决这些问题，研究人员提出了一种结合点扫描成像的稳健性和SPI效率的块扫描方法，旨在降低光子计数所需的动态范围，并提高成像效率。

二、研究内容

本研究提出了一种基于块扫描的单像素成像方法，通过优化扫描模式，显著降低了光子计数需求，并提高了成像质量。实验中，研究人员使用了1064 nm波长的皮秒脉冲光纤激光器作为光源，并结合数字微镜器件（DMD）和单光子雪崩光电二极管（SPAD）探测器，构建了一个单像素成像系统。通过在DMD上加载小而离散的块扫描模式（如图1所示），该系统能够逐列扫描目标场景，从而实现高效成像。

与传统的Hadamard模式相比，块扫描模式具有更小的调制区域，能够在低光子计数下实现更高的强度波动，从而有效减少光子堆积现象。实验结果表明，块扫描模式的总光子计数比Hadamard模式减少了25倍，而对比度噪声比（CNR）提高了1.1倍，成像仅需每像素1.34个光子。

为了更好地理解块扫描模式的优势，研究人员设计了实验对比两种模式的性能。实验中，研究人员构建了一个包含两个不同深度物体（“飞机”和“盒子”）的场景，并在不同激光功率下进行了成像实验。图2展示了两种模式下的成像结果对比。在低动态环境（30%激光功率）下，块扫描模式和Hadamard模式的成像质量差异不大，但块扫描模式在总光子计数、CNR和调制时间上具有明显优势。在高动态环境（40%激光功率）下，块扫描模式的成像结果显著优于Hadamard模式，后者在高光子计数下出现了光子堆积现象，导致图像噪声增加。

此外，研究人员还采用了Sparse Poisson Intensity Reconstruction（SPIRAL）算法对成像数据进行处理。该算法通过总变分（TV）约束条件，能够有效抑制泊松噪声，保留图像细节。图3展示了在不同功率和调制频率下，两种模式的CNR变化趋势。可以看出，块扫描模式在不同条件下均表现出更高的CNR值，表明其在成像质量上的优越性。

三、总结

本研究提出了一种基于块扫描的单像素成像方法，通过优化扫描模式和成像算法，显著提高了单像素成像的效率和质量。实验结果表明，该方法在低光子计数和高动态环境下表现出色，能够有效降低硬件负担并提高成像稳定性。未来，研究人员将进一步优化块扫描模式，探索更多适用于单光子计数探测器的扫描策略，推动单像素成像技术在更广泛领域的应用。这种创新的成像方法不仅为单像素成像技术的发展提供了新的思路，也为长距离激光雷达（Lidar）系统和弱光探测领域带来了新的突破。

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