高光谱成像技术兼具空间分辨与光谱解析能力，可实现对物质的无标记、非侵入式成分识别与分布可视化，在活体影像诊断、材料失效分析和污染物溯源等领域具有重要应用价值。然而，现有高光谱系统多依赖大画幅焦平面阵列探测器，导致系统成本上升，尤其在红外波段表现尤为突出。此外，通过空间色散或光谱滤波实现光谱分辨时，往往需借助机械扫描或滤波切换，不仅光通量利用率偏低，也制约了空间与光谱数据的并行采集能力，难以满足动态过程的实时、高通量观测需求。
近年来，单像素成像技术因其在特殊波段成像和系统成本控制方面的优势而备受关注，然而，当该技术向高光谱成像拓展时，往往需引入额外的色散元件或光谱滤波器。前者基于空间色散原理，往往依赖多像素阵列以获得更多通道，像素规模与通道数之间的耦合使分辨率与覆盖范围难以兼顾；后者基于窄带滤波则需大量扫描步骤，采集慢且光通量损失大。因此，如何在单像素框架下实现高效率、高速且高分辨率的高光谱成像仍面临巨大挑战。
为此，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授与黄坤教授研究团队创新结合时间拉伸光谱技术和单像素计算成像技术，提出了一种基于时空复用的单像素高光谱成像技术。该方法通过将三维空间—光谱信息压缩复用至一维时间序列，实现了空间与光谱信息的同步编码与解码，仅凭单像素探测器即可完成高光通量、高效率的复用测量。本研究在时间拉伸框架中引入空间光调制机制，突破了传统时间拉伸成像的维度受限问题，为时域高光谱成像开辟了全新的实现路径。
实验中，研究人员利用单模光纤对超短脉冲施加群速度色散，构建了时域拉伸光源。随后，通过可编程空间光调制器和高速铟镓砷单像素探测器分别实现空间编码与时空调制信号的采集。经时间拉伸波形与编码矩阵关联求解，成功在1550-1600 nm波段内重建了包含50个谱段、空间分辨率达128×128的三维图谱数据立方体。此外，结合压缩感知算法，在欠采样条件下实现了12 Hz图谱刷新速率的动态液体注射过程实时监测。
研究团队基于高保真光谱—时间映射和高精度空间编码压缩测量，构建了高速单像素高光谱成像系统，实现了单探测单元下对三维空间—光谱信息的高效复用与动态捕获。未来，通过使用更大群速度色散的介质、更高带宽的探测器与更先进的压缩感知算法，系统在光谱覆盖范围与分辨率等关键指标上仍具数量级提升空间。此外，采用更高速的空间调制策略与优化的解码算法，图谱数据立方体的刷新速率有望突破至亚MHz量级。该技术路径不仅为轻量化、低成本、高效率的高光谱成像提供了全新范式，也将在化学生物传感、工业质量监控、环境气体探测等实时动态场景中开辟更广阔的应用前景。
相关成果发表在Laser & Photonics Reviews，该工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师范大学的共同资助。
图 (a) 时间拉伸单像素高光谱成像概念图; (b-e) 红外高光谱成像性能表征.
论文原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202501321
