Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level
本文展示了一种室温下单光子敏感的中红外单像素成像系统，该系统利用非线性结构化检测进行光谱上转换，并结合先进的重建算法，在无需专用红外探测器的情况下，实现了在光子匮乏条件下的高保真成像。
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，你正试图拍摄一个隐藏在完全黑暗中的秘密物体，但你只有一个微小的、单眼的眼睛，一次只能看到一个光点。通常情况下，要拍摄照片需要一台拥有数百万个“眼睛”（像素）协同工作的照相机。但在“中红外”世界里——即用于观察热量、化学物质或机器隐藏缺陷的那种光——制造拥有数百万只眼睛的照相机极其昂贵且脆弱，而且通常需要将其冷却到接近绝对零度才能工作。
这篇论文展示了一个聪明的变通方案：一台利用单像素相机，通过每次仅使用一个光子（光的最微小颗粒）就能在黑暗中成像的系统。
以下是他们实现这一目标的步骤，通过简单的类比进行了拆解：
1. 问题所在：“盲眼”红外照相机
中红外光非常适合观察诸如气体泄漏或生物组织等事物，而不会对其造成伤害。但是，用于这种光的标准照相机就像是需要放在冷冻柜里的昂贵、脆弱的冰雕。它们在处理极微弱光线时表现很差。如果你尝试用极少量的光子来拍照，图像通常会变成静态噪声。
2. 解决方案：“翻译官”与“皮影戏”
研究人员构建了一个结合了“翻译官”和“皮影戏”功能的系统。
翻译官（上转换技术）： 他们无法使用标准的红外探测器，因为不够灵敏。相反，他们使用了一种特殊的晶体（一块铌酸锂），它充当了一个神奇的“翻译官”。当中红外光撞击这块晶体时，晶体会将这种光“翻译”成可见光（即人类眼睛或标准硅探测器能看到的类型）。
- 类比： 想象你在努力听懂一种你不会的语言中的耳语。与其费力去听，不如找一个翻译官，他能瞬间把那声耳语变成你母语中响亮清晰的大喊。现在，一个简单的麦克风（硅探测器）就能完美地捕捉到它。
皮影戏（结构化检测）： 由于他们只有一个“眼睛”（单个探测器），所以无法一次看到整个画面。因此，他们使用了一个数字镜面设备（类似于高科技投影仪）将光模式投射到物体上。
- 类比： 想象你在一个黑暗的房间里对着一座雕像。你看不见雕像，但你有一个可以投射不同形状（如正方形、条纹、字母）的光源。你投射一个“正方形”图案，然后测量有多少光反射回来。接着，你投射一个“条纹”图案并再次测量。通过混合并匹配成千上万个这样的图案，计算机可以通过数学方法重建出雕像的样子，即使你的眼睛从未一次性看到全貌。
3. 魔法技巧：在几乎没有光的情况下进行操作
这次真正的突破在于，他们成功实现了在极微弱光线下的操作——低至每脉冲仅有半个光子。
- 通常情况下，如果你拥有的光子少于一个，你就无法拍照。但由于他们使用了“翻译官”（晶体）将红外光转换为可见光，他们便可以使用极其灵敏的硅探测器来计数单个光子。
- 他们还完美地同步了光脉冲（就像两名鼓手在完全相同的毫秒内同时击鼓），从而过滤掉了背景噪声。这使得他们即使在“房间”几乎完全黑暗的情况下也能捕捉到信号。
4. 结果：看见不可见之物
他们通过拍摄一张带有镂空字母的金属片来测试这一系统。
- 速度： 他们可以实现每秒 10 次的 16x16 像素图像拍摄（实时视频）。
- 灵敏度： 即使在光源极其微弱（平均每投射一个图案，物体接收到的光子少于一个）的情况下，他们也成功重建了清晰的图像。
- 数学算法： 当光线或时间不足以进行所有测量时，他们使用了先进的计算机算法（类似于智能图像编辑器）来填补缺失的部分，从而在进行较少次数拍摄的同时仍能获得清晰的图像。
总结
简而言之，作者们制造了一台不需要数百万像素、也不需要冷冻柜的照相机。相反，它利用单个传感器、神奇的晶体翻译官和图案投影仪来重建中红外光的图像。它的表现非常出色，甚至能在几乎没有任何光线的情况下成像，为以一种此前无法实现的简单性和灵敏度观察中红外光谱事物打开了大门。
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