基于FP光谱调制与单光子探测的超低光照高光谱成像
2026-10-11 20:22:45   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

高光谱成像能够提供丰富的空间与光谱信息，有效地弥补了传统RGB相机光谱保真度不足的缺陷。这一能力使得目标检测与分析更加精准，已被广泛应用于环境监测、医疗健康以及遥感领域。然而，在超低光照条件下或目标信号较弱时，高光谱成像的性能仍面临巨大挑战。尽管近年来传感器灵敏度有所提高，但有限的光子预算仍导致有效信号不足，进而降低信噪比（SNR）。

据麦姆斯咨询报道，北京理工大学边丽蘅教授科研团队将宽带法布里-珀罗（FP）光谱调制与单光子探测技术相结合，开发了一种超低光照高光谱成像系统。研究人员提出了一种光谱-空间双域注意力网络，通过捕捉长程光谱依赖关系并实现2倍空间上采样，来提升光谱精度并提供精细的高分辨率信息。为确保与真实物理成像过程的一致性，在0.3 lux光照条件下，模拟了450至650 nm范围内28个波长通道的低光照高光谱数据集。在多个宏观场景和荧光微球上的实验验证表明，所提出的方法能够实现高光谱保真度，为弱光条件下的高光谱成像提供了一种可靠的解决方案。相关研究成果以“Ultralow-light hyperspectral imaging via broadband Fabry–Perot resonance and single-photon detection”为题，发表于Photonics Research期刊。

超低光照高光谱成像系统框架和光谱调制策略

在这项工作中，为了实现能够进行宽带光谱调制的法布里-珀罗（FP）滤波器，采用了一种包含分布式布拉格反射器（DBR）和介电腔层的平行镜干涉结构。这种架构在整个可见光谱范围内提供了可调谐且连续的透射特性。

SPAD阵列中的每个像素都需要一个较大的保护环，以防止电子雪崩过程中过早的边缘击穿。这种设计增加了制造复杂性，并降低了填充因子，从而限制了成像分辨率。图像超分辨率技术通过在不改变硬件配置的情况下增强空间分辨率，有效补偿因低填充因子导致的性能下降，提供了一种有前景的解决方案。然而，现有的基于深度学习的超分辨率方法往往无法充分利用多分辨率特征之间的关联性，这限制了它们利用丰富多尺度信息进行精确重建的能力。研究人员提出了一种双域感知光谱重建网络，该网络集成了光谱感知模块和多尺度交叉注意力（MSCA）模块。这些注意力模块能够提取并融合光谱与空间特征，实现空间上采样，并显著提升重建质量。所提出的深度学习方法在0.3 lux的超低光照条件下重建28通道高光谱图像，同时实现2倍的空间上采样。

多尺度光谱感知重建网络

仿真重建结果

所提出的超低光照高光谱成像系统在多种宏观场景中实现了高空间分辨率和优异的光谱保真度。该系统能够准确重建各种颜色区域的光谱特性，有效抑制噪声并保留空间细节。这些结果表明，所提出的方法能够在低光照条件下精确重建光谱与空间信息，并在物体检测和遥感中显示出巨大的应用潜力。

在不同宏观场景下的实验结果

低光照高光谱成像对于显微应用也至关重要。荧光微球具有强荧光强度和高稳定性，这些特性使其广泛用于医学诊断、血流测量和仪器校准等领域。为验证低光照条件下荧光光谱成像的能力，在微观环境中进行了实验。实验结果表明，所提出的方法能有效区分具有不同发射特性的微球，并保持优异的光谱重建精度和高保真度的空间成像性能。

微观场景的超低光照高光谱成像

总而言之，超低光照条件下的高光谱成像面临信噪比低的问题，这限制了传统方法在保持空间保真度的同时实现高光谱精度的能力。本文所提出的系统将宽带法布里-珀罗（FP）器件与高灵敏度单光子探测器相结合，在低光照环境下实现了高保真光谱重建。为解决重建分辨率低的问题，引入了多尺度交叉注意力模块。该模块采用多尺度空间注意力机制，来捕捉长程依赖关系并增强空间细节。实验结果表明，所提出的方法能够在低光照条件下对多种宏观场景和荧光微球实现精确的高光谱重建。

论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.589753

延伸阅读：

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