近日，信息科学与工程学院孙宝清教授课题组在基于单像素成像的超快成像方面取得新进展。课题组提出并验证了一种时间分辨的超高速单像素成像技术，实现了两百万帧每秒的二维和三维成像。相关研究成果以“2,000,000 fps 2D and 3D imaging of periodic orreproducible scenes with single-pixel detectors”为题发表在Photonics Research（中科院一区，最新影响因子7.254）并入选封面文章。第一作者为博士研究生蒋文杰，通讯作者是孙宝清教授，山东大学为唯一作者单位。
单像素成像是近年来被广泛研究的一种新型成像技术。该技术仅使用不具备空间分辨能力的单像素探测器来获取目标的空间信息，将成像探测器的像素规模压缩到极限，具有弥补面阵成像技术不足的独特优势。被广泛认为在面阵探测器相对不成熟或较昂贵的特殊波段成像中具有巨大的应用价值。经过科学家们近三十年的研究和探索，目前单像素成像技术已取得了巨大突破和显著进步。然而，由于单像素成像独特的成像机制，其成像速度一直受到另一个核心器件：空间光调制器的刷新速度的限制。该限制使得单像素成像速度一直处于较慢的水平，不能适用于普遍的成像场景，更难发挥单像素探测器的高探测带宽这一优势。
该研究针对高速变化的周期性场景，通过充分挖掘动态场景与动态编码孔径之间的空间关联信息，实现了对高速目标的快速采样。结合典型的单像素成像重构机制，实现了对高速目标的成像。成像速度完全由单像素探测器的采集速度决定，使用普通的光电二极管即可轻松实现百万帧频的成像速度。该工作中所提出的成像系统，不仅能够实现快速二维成像，还能结合傅里叶变换轮廓术实现时间分辨的三维成像。同时，针对一般成像环境，研究人员提出了一种数字校准方案来保证重构图像质量。最终实验结果表明，该研究实现了在两百万帧每秒成像速度下的高空间分辨率、高图像质量的二维和三维成像。总体而言，该研究提出的成像方案进一步挖掘了单像素成像的应用潜力，对于单像素成像的发展具有重要意义。同时，该研究也为高速成像提供了一种有力的选择方案。下一步结合高精度量子探测器件和光学测量等手段，该方案成像速度有望达到万亿帧每秒，甚至更高。
该研究工作得到了山东省自然科学基金（ZR2019LLZ003-1）、山东省重点研发计划项目（2019GGX104002, 2020CXGC010104）、山东大学青年交叉研究基金、中德科学中心合作交流项目(M-0044)等支持。
文章链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.461064
封面报道：https://opg.optica.org/prj/china/prjnews/spot-mfrsp3di.inc.cfm
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