应用物理中心先进光学探测方向李明飞特聘研究员课题组，在单像素编码盘成像方面取得了一系列进展。

图1 本课题组在多个谱段实现了单像素相机验证

   旋转编码掩模以其快速调制速率和成本效益而著称，现在通常用于实时单像素成像。为了加强基于旋转编码盘架构单像素相机对环境噪声的鲁棒性，该课题组通过在编码上镀高反膜，实现了透射光和反射光的差分探测方案，有效降低了共模噪声对成像结果的影响。经过实验验证，本课题组在不稳定光照环境下的抗干扰能力和实时成像性能，最终实现了在约60 kHz调制频率下31 fps的成像速度，该技术可扩展至红外和太赫兹波段，为SPI技术在多个波段的动态成像应用提供了一种成本效益高、速度快的解决方案[Opt. Express 32, 47216-47224 (2024)]。

与数字微镜器件不同，在光子计数机制中，编码掩模图案和光子探测器之间的同步方面存在困难。为了解决这个问题，课题组提出了一种方案，该方案假设每个周期的磁盘转速恒定，并将光子探测建模为非稳定泊松过程。这有效地解决了同步问题并补偿了速度波动。

图2 单光子单像素相机原理图。

   为了验证方法有效性，设计和制造了一个单像素相机原型，它可以在每个像素小于一个光子的照明下捕获图像，调制速率约为 100 kHz，成像速度为每秒 28 帧（获取一幅极弱光结果的速度）。该相机结构紧凑、重量轻、成本低，应该可以在极低光照条件下进行成像的许多实际应用。[Opt. Lett. 50, 169-172 (2025)]

图3 单光子单像素相机实物图。实验结果（a）强光时成像结果；（b）弱光时成像结果；（c）弱光时更换更灵敏的光子探测器后成像结果。

   该单像素相机的特点是不采用TCSPC，而是直接用高速数据采集卡记录光子到达的时间签，其优势是可获取较长时间内光子到达的相对时间，从而保有更完整的光子飞行时间信息，同时也将硬件采集成本降低一个数量级，这种新的架构有望在实际应用中发挥重要作用。

相同技术用于X射线与中子能谱方面取得了实验进展：

   首次利用不同元素在X射线能段的吸收边在鬼成像的系统下实现同时成像与元素区分，发表在光学快报，题为X射线能量分辨鬼成像[Optics Letters, 49:4162-4165(2024)]。

图4：X射线能量分辨鬼成像

   面阵X射线相机拍摄只能获得三种元素的灰度和形状，无法进行元素区分。鬼成像方案测可选取不同元素的吸收边（钼、银、锡吸收边分别为20.002、25.517、29.190 keV）的两侧进行积分后差分，同时实现元素成像与区分，分辨率约100微米，视场约为3.2 mm。

能量分辨的中子成像可提供更丰富精准的材料信息，可利用不同元素的共振吸收峰进行元素区分[Frontiers of physics,2025,to be published]。本实验选用了三种纳米粉末进行填充：铟In、银Ag、钨W三种，硅片刻蚀凹槽深度为310±10 μm，像素数为32×32，最小刻槽尺寸为100μm。铟、银、钨三种箔片分别裁成三个字母“N”、“G”、“I”，叠加组合而成。

图5：中子共振鬼成像实验。

   铟、银、钨的共振峰分别为1.25-1.66 eV、 4.8-5.6 eV、17.48-19.46 eV，调制深度分别约为45%、25%、10%。采用深度学习算法进行图像重建，中子共振鬼成像结果表明，尽管元素空间重叠，仍可用本课题组方案进行材料的区分，成像空间分辨率为200 μm。不同物体共振吸收峰不同，共振谱线的鬼成像仅使用单像素探测器即可同时得到该元素的二维分布图像，该研究成果将极大推动中子鬼成像在无损检测领域的应用。