【儀表網 研發快訊】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室的量子成像團隊在主動式高光譜成像領域研究取得進展。該研究成果以“Active Hyperspectral Imaging with Wavelength-Encoded Illumination Using Perovskite Nanocrystals”為題，在國際光學期刊ACS Photonics發表。信息科學與工程學院教授孫寶清、高原為通訊作者，研究生王旭紅、孟賀巖為第一作者。
低維鹵化物鈣鈦礦材料因其成分可調的發射特性、高光致發光量子產率和窄帶寬度，在光電器件，特別是作為光源和信息編碼器方面展現出巨大的潛力。然而，傳統的高光譜成像(HSI)系統通常依賴于色散光學元件或掃描機制，這不僅帶來系統復雜，成本高昂的問題，更導致數據采集效率低下和數據量過大的挑戰，嚴重限制了在實時監測和便攜式應用場景中的部署。因此，探索一種能同時提供高光譜分辨率和高效率的主動式編碼技術，已成為推動高光譜成像技術進步的核心方向之一。
本研究創新性地將光致發光鈣鈦礦納米晶體作為光譜信息編碼器，構建了一種基于波長編碼照明的主動式高光譜成像平臺。低維鹵化物鈣鈦礦材料具有成分可調的發射特性、高光致發光量子產率和窄帶發射線寬，是理想的光譜信息編碼載體。研究團隊通過混合鹵素制備了40種不同的鈣鈦礦顏色轉換器，覆蓋400-700納米的可見光范圍，形成了完整的編碼照明系統。系統僅需捕獲40張單色圖像，通過壓縮感知(CS)算法即可高保真地重建出完整的高光譜數據立方體。這種設計不僅將光譜編碼與檢測路徑解耦，實現了緊湊、高能效的高光譜成像；同時憑借其主動式照明的特性，提供了優于傳統被動式濾光片方案的魯棒性、能源效率和設計靈活性。
為了解決鉛鹵化物鈣鈦礦在紫外激發下的光穩定性問題，研究團隊采取了配體交換策略，使用短鏈羧酸2-己基癸酸對CsPbX3納米晶體進行表面修飾。這種鈍化的納米晶體隨后分散在高分子薄膜中，形成色轉換薄膜，展現出優異的抗光氧化和水解能力。研究團隊通過對分布式布拉格反射器、顏料豐富的陶瓷磚以及外觀相似的天然與人工葉片的成像驗證了系統的性能。對陶瓷磚各區域重建的光譜與參考測量結果高度吻合，證明了系統在壓縮采集條件下準確恢復關鍵光譜特征的能力。另外，系統成功區分了在RGB圖像中幾乎相同的天然和人工葉片，并通過對重建光譜進行分析，突顯出不同材料在光譜形狀上的細微特征，實現了對兩類樣本的區分和材料鑒別。
近期團隊圍繞半導體納米晶(量子點)光場信息編碼取得了系列進展，實現了基于硫化鉛量子點的短波紅外高光譜單像素成像(Light: Science & Applications 13.1 (2024): 121.)，通過鈣鈦礦納米晶發光與位置信息關聯，實現了全光計算成像(Advanced Functional Materials 35.12 (2025): 2417475.)。這些系列研究不僅證明了半導體納米晶在光信息編碼中的新作用，也為材料-系統協同設計在下一代緊湊型、信息豐富的光學傳感平臺中開辟了新的途徑。該技術在精密農業、文化遺產分析、工業檢測和生物醫學診斷等領域展現出巨大的應用潛力。以上研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、山東省自然科學基金等多個科研項目的資助。
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