Infrared Single-Pixel Hyperspectral Imaging via Spatial-Temporal Multiplexing
本文提出了一种单像素近红外高光谱成像系统，该系统利用电信光纤和空间光调制器实现时空复用，以高保真度实时重建具有 50 个光谱波段的 64×64 数据立方体，为生物医学和材料应用提供了一种比传统焦平面阵列成像器更具成本效益和效率的替代方案。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图拍摄一个复杂物体的照片，但你没有配备百万个微小传感器（像素）以一次性捕捉整幅画面的相机，而只有一只单眼。
通常，单眼只能告诉你某个光点的亮度，却无法告诉你它的颜色或整个场景的样貌。若要获得完整画面，你必须逐点扫描物体，这将耗费漫长时间。
本文介绍了一种巧妙的新方法，利用这只“单眼”为物体拍摄3D 电影，不仅捕捉其形状，还能以极快的速度获取其化学“指纹”（即其特定的光色）。
以下是他们如何实现这一目标，运用了一些富有创意的类比：
1. “彩虹拉伸”（时间拉伸）
通常，要观察光的所有颜色（波长），你需要一个棱镜将它们像彩虹一样展开。但棱镜体积庞大且速度缓慢。
研究人员采用了不同的技巧。他们发射了一束超快光脉冲，使其穿过一根非常长的特殊光纤（就像一根 10 公里长的吸管）。当光在这根“吸管”中传播时，不同的颜色在时间上被“拉伸”开来，就像橡皮筋一样。
- 类比：想象一群赛跑者（不同颜色的光）在同一时刻起跑。当他们跑过一片泥泞的场地（光纤）时，跑得快的选手比跑得慢的选手更容易陷入泥潭。等到他们冲过终点时，已经排成了一条长队。如果你站在终点线，只需观察他们何时到达，就能确切知道他们是谁（即哪种颜色）。
- 结果：系统将颜色的“彩虹”转化为了事件的“时间线”。
2. “皮影戏”（空间编码）
既然光已经在时间上被拉伸，研究人员接下来需要观察物体的形状。他们使用了一种数字微镜器件（DMD），这就像一面由数百万个快速切换的微小镜子组成的墙。
- 类比：想象将手电筒的光透过一个模板（就像饼干模具）投射到墙上。墙上会显示出饼干的形状。研究人员以极快的速度将不同的模板（图案）投射到物体上。
- 技巧：由于光已经在时间上被“拉伸”，单个探测器可以同时看到物体的形状和颜色。当光从物体反射并穿过不断变化的模板时，单个探测器记录下了复杂的信号波形。
3. “拼图求解器”（重建）
单个探测器并没有拍摄普通照片。它只是记录了一条代表每个图案和每个时刻有多少光返回的锯齿状数据线（波形）。
- 类比：想象你有一个拼图，但你只有一份关于每行每列有多少拼块的线索列表，而不是拼图本身的画面。一个计算机算法（使用一种称为“压缩感知”的方法）充当了超级侦探的角色。它观察线索（锯齿状数据线）和已知图案（模板），通过数学方法重建出原始画面。
- 结果：他们成功重建了一幅 64x64 的图像，包含 50 个不同的颜色波段，生成了一个“数据立方体”，同时展示了物体的形状和化学成分。
他们实际展示的内容
该论文并未声称这项技术已准备好应用于医院，但他们确实在实验室中通过两个具体演示证明了其有效性：
- 读取铜牌：他们拍摄了一块刻有"EC"字母的铜片，铜片上覆盖着两种不同的彩色滤光片。该系统不仅能清晰地看到字母，还能根据各自特定的光信号区分这两种滤光片。
- 观察液体混合：他们拍摄了一段实时视频（每秒 12 帧），展示两种不同的液体被注入容器。由于液体对光的吸收方式不同，该系统能够观察它们的混合与分离过程，将正在发生的化学舞蹈可视化。
为何这很重要（根据论文所述）
- 更便宜：你不需要配备数百万个传感器的超昂贵相机（制造用于红外光的传感器非常困难）。你只需要一个廉价的探测器。
- 更快：它在单次闪光中捕获整个“彩虹”数据，而不是缓慢扫描。
- 更简单：它消除了相机内部移动部件或复杂棱镜的需求。
简而言之，他们制造了一种相机，利用一只眼睛、一根长光纤和一个数学拼图求解器，来拍摄高速且富含化学信息的物体图像。
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