图1 基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像
1. 导读
单像素成像作为一种先进的计算成像技术，通过一系列的掩膜图案及其对应光强测量信号的相关性计算来获得目标图像，并在太赫兹成像、三维成像、高光谱成像和微光成像等领域引起了人们的广泛关注。一般来说，单像素成像的性能由空间光调制器和单像素探测器的性能直接决定。然而，受限于传统空间光调制器体积大、集成性差等缺点，目前单像素成像方案中的调制容量和集成度存在一定的限制。
针对这些问题，近日北京理工大学大学黄玲玲教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套基于超颖表面的单像素成像方案，利用纳米孔结构单元的超颖表面实现了良好的二值振幅调制，通过在空间上的移动生成满足单像素成像所需数量的掩膜图案来实现图像的重建（见图1）。团队在理论模型分析和数值仿真模拟基础上，基于纳米孔结构单元的超颖表面能够在整个可见光波段到近红外波段进行良好工作。在可见光波段和高分辨成像方面进行了实验验证，实验结果均与理论预期非常吻合，充分证明了该设计方法的有效性。
超颖表面的亚波长像素尺寸使得这种方案可以在较小的体积下实现更大的调制容量，展现出大容量调制和系统集成方面上的巨大潜力，并且还具有宽带效应。得益于以上优势，该方案将超颖表面引入到单像素成像中，为高分辨成像、动态成像和高光谱成像等许多领域提供了新的途径。
2. 研究背景
单像素成像通过一系列掩膜图案对空间信息进行调制，再通过单像素探测器获取调制后的一维强度信息，最后计算两者之间的相关性来重建物体的图像。与传统的焦平面阵列技术相比，单像素成像将空间光调制器和单像素探测器相结合，取代了CCD和CMOS相机等像素阵列探测器，在更低的成本、更高的检测效率和更大的带宽范围内的优异性能方面具有竞争优势。根据单像素成像的原理，其性能不仅跟单像素重建算法有关，更直接取决于空间光调制器和单像素探测器的性能。然而，作为单像素成像领域中最常用的空间光调制器，DMD在刷新频率、像素尺寸和工作带宽上存在瓶颈，限制了单像素成像的更多应用。
为解决这些实际问题，目前提出了一些新的空间光调制方案，其中超颖表面的概念也被引入到单像素成像中，即由人工设计的由超薄结构和亚波长特征尺寸的纳米天线或纳米谐振器阵列组成的二维平面，为拓展单像素成像的应用领域提供了可能性。基于超颖表面，国内外科学家将超颖表面代替单像素成像中的空间光调制器产生掩膜图案，实现了一些性能更好的应用，如光学加密，微波波段成像和太赫兹波段成像等。然而，在这些单像素成像方案中，调制容量和集成度仍然是一个挑战。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从基于纳米孔单元结构的超颖表面出发，提出了一套实现具有大调制容量、高集成度和成像分辨率更高的单像素成像新方法。基于超颖表面振幅调制原理，研究者利用纳米孔单元结构的超颖表面实现了良好的二值振幅调制，将其作为空间光调制器生成掩膜图案，实现了单像素成像的图像重建（见图1）。另外，通过在垂直和水平方向上移动超表面的方式，利用空间复用的特性在有限的空间中生成大量的掩膜图案，在提高信息容量的同时，也能满足单像素成像中所需的调制图案数量。其中，纳米孔所在像素点代表振幅为1的区域，无纳米孔的像素点代表振幅为0的区域，该超颖表面对应于一个二值分布的矩阵（见图2）。同时，纳米孔的像素尺度很小，因此超颖表面可以用较小的体积实现更大容量的调制。基于以上观点，我们的方案可以实现大容量调制，同时在系统集成方面具有潜力，这意味着我们的方案具有更高的灵活性和适应性。
图2 利用超颖表面生成满足数量的掩膜图案
随后，研究人员对基于纳米孔单元结构的超颖表面的单像素成像进行了实验验证。在完整的理论指导下，团队利用633nm的光波对字母“B”、“I”和“T”实现了单像素成像的图像重建。同时，为了验证方案的宽带特性，团队通过实验验证了入射光为473、532和633nm时字母“G”的成像结果。根据实验结果，单像素成像的重建图像都可以实现令人满意的质量。
团队又进一步验证所提出方案在分辨率上的成像能力，利用分辨率板作为目标图像实现了图像重建。从实验结果图中可以看出，能够分辨出第7组第6个元素的线宽，因此可以区分至少线宽为2.19μm的物体，实验结果与预期吻合良好。
图3 基于纳米孔超颖表面的单像素成像实验结果
4. 应用与展望
研究团队提出的基于大容量空间复用超颖表面的单像素成像方案，能够在有限的空间内完成大容量调制，并益于超颖表面的小像素尺度，使得单像素成像在显微镜中的应用成为可能。同时，设计的超颖表面可以在很宽的光谱范围内工作，这可能会将单像素成像引入到高光谱成像中。总之，通过将超颖表面的灵活调制能力与单像素技术相结合，可以实现各种更多的应用，如太赫兹成像、活体荧光显微镜、三维成像和动态成像等。
该研究成果以“Single pixel imaging based on large capacity spatial multiplexing metasurface”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Jingxiao Yan, Yongtian Wang, Yin Liu, Qunshuo Wei, Xue Zhang, Xin Li, Lingling Huang其中Yongtian Wang, Xin Li和Lingling Huang教授为共同通讯作者。黄玲玲教授团队隶属于北京理工大学。
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