在湖北光谷實(shí)驗(yàn)室，研究員丁毅博士在進(jìn)行光學(xué)成像探測實(shí)驗(yàn)。

近日，在湖北光谷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一束微弱到僅含幾個(gè)光子的激光正在照射生物樣本，科研人員緊緊盯著屏幕上得到的計(jì)算結(jié)果：“成像分辨率像素已達(dá)到百萬級(jí)。”

日常使用的手機(jī)攝像頭，像素普遍在千萬級(jí)，甚至過億，在生活中可以拍下清晰的照片。但在一些特殊場景，比如深海、高空，或在醫(yī)療檢測上，光信號(hào)微弱，空間分辨率低，需要用單光子探測器來捕捉圖像。光子是光的基本單位，我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降墓猓鋵?shí)是由無數(shù)個(gè)光子組成的。單光子探測器，顧名思義，就是能夠探測到單個(gè)光子的超高靈敏度探測器，在量子通信、天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

“單光子探測器就像黑夜中的眼睛，可以捕捉到微弱的光信號(hào)。”湖北光谷實(shí)驗(yàn)室研究員丁毅博士說，但單光子探測器受物理結(jié)構(gòu)限制，像素?cái)?shù)量通常只能達(dá)到數(shù)千，限制了其在高分辨率成像等方面的應(yīng)用。

比如在天文觀測中，較低的像素個(gè)數(shù)，難以捕捉到更暗弱、更遙遠(yuǎn)天體的細(xì)節(jié);在生物醫(yī)學(xué)顯微成像中，也無法滿足對(duì)量子級(jí)熒光現(xiàn)象進(jìn)行高分辨率記錄的要求。為突破這一難題，丁毅博士團(tuán)隊(duì)將目光投向了計(jì)算成像這一領(lǐng)域。計(jì)算成像不同于傳統(tǒng)成像技術(shù)，它能夠通過光學(xué)調(diào)制和信號(hào)處理等手段，突破光電探測器在成像分辨率、成像幀率等方面的限制。“我們不再要求每個(gè)像素必須對(duì)應(yīng)一個(gè)物理探測器，而是讓單個(gè)探測器在不同時(shí)間扮演不同角色，通過編碼光場和重構(gòu)算法，最終恢復(fù)出幾十萬甚至上百萬像素的高分辨率圖像。”丁毅說，團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

此外，單光子探測器以往輸出的是模擬信號(hào)，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)通過攻關(guān)研究，在芯片層次完成了單光子探測器的數(shù)字讀出，在獲取單光子信號(hào)時(shí)可以省去光子計(jì)數(shù)器件，使得成像與探測系統(tǒng)更加小型化、集成化，能夠面向更多應(yīng)用場景。

成果的背后，是科研團(tuán)隊(duì)無數(shù)個(gè)日夜的堅(jiān)守付出。自2023年底立項(xiàng)開始，為趕進(jìn)度，實(shí)驗(yàn)室的燈光常常亮到天明。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)光路和計(jì)算方法的有效性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，積累了海量數(shù)據(jù)。“每天都感覺時(shí)間不夠用，就想快些、再快些，讓更多高端器件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。”丁毅說，目前研究團(tuán)隊(duì)正與醫(yī)療器械、遙感探測等領(lǐng)域展開應(yīng)用合作，首臺(tái)用于醫(yī)療領(lǐng)域的工程樣機(jī)正在研制中。目前，研究團(tuán)隊(duì)還在開展免標(biāo)記納米顆粒跟蹤、時(shí)域壓縮成像等多個(gè)技術(shù)難題攻關(guān)。“時(shí)不我待，早日攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，我們干勁滿滿。”丁毅說。

審核編輯 黃宇