高速LED阵列计算鬼成像技术的突破性进展：50k fps动态成像的实现与
1. 研究团队与发表信息
本研究的核心作者为来自北京航空航天大学光电工程系的Hong-xu Huang、Li-jing Li、Yu-xuan Ma及通讯作者Ming-jie Sun*，成果发表于SPIE旗下期刊*Proceedings of SPIE*第12921卷（2023年），会议名称为*Third International Computing Imaging Conference (CITA 2023)*，文章为《50k fps computational ghost imaging with an ultrafast LED array》。
2. 学术背景与研究目标
计算鬼成像（Computational Ghost Imaging, CGI）是一种结合空间光调制与单像素探测的新型光电成像技术，其优势在于多波长成像、三维成像等应用场景。然而，其成像速度长期受限于空间光调制器（如数字微镜器件DMD）的调制速率（商用DMD最高仅22 kHz）。本研究针对这一瓶颈，提出了一种基于高速LED阵列的低成本调制方案，旨在突破现有成像帧率限制，并探索动态成像的潜在应用价值。
研究团队此前已初步验证LED阵列的可行性（调制速率达1 MHz，动态成像1000 fps），但受电路设计限制未充分挖掘LED的物理极限。本次研究进一步优化驱动电路设计，目标：（1）将LED阵列调制速率提升至25 MHz；（2）结合进化压缩感知算法实现50k fps动态成像；（3）解决LED阵列光强不均匀性导致的图像质量问题。
3. 研究方法与流程
**3.1 LED阵列计算鬼成像系统设计
研究团队设计了一个32×32分辨率的LED阵列模块，其核心创新包括以下步骤：
3.2 光强误差校正算法
实验中发现，当同一行中LED点亮数量不均时，因共享电流导致光强显著下降（图3）。基于哈玛子图案的对称性（每行点亮LED数为总数一半或全部），提出“分组校正算法”：
1. 基准标定：将4幅同源哈达玛子图案设为一组，无目标时测得各组总光强作为标准值；
2. 误差系数计算：通过异常组与正常组的总光强比值（公式2）确定衰减系数k；
3. 信号校正：成像时，用k乘以异常组实测值以修正信号。
3.3 动态成像实验
搭建实验系统（图4a）：LED阵列（619-631 nm波长，1.375 mm间距）通过镜头（Nikon 50mm）投射1 cm×1cm光斑至旋转圆盘（刻有数字0-9），单像素（Thorlabs PDA8A）采集光强，数字化仪（Picoscope 6404D）记录信号。实验结果显示：
- 静态与动态成像对比：25 MHz调制速率下，原始图像因采样数不足（每图案仅20次）和探测器暗噪声质量较差；
- 压缩感知优化：引入进化压缩感知算法后，12.5%压缩率下仍可识别目标，帧率提升至50k fps（图4b）。
4. 主要结果与逻辑链条
- LED阵列性能：驱动电路实现25 MHz调制，哈达玛子图案显示速率12.5 MHz，较DMD快500倍（图2）。
- 质量提升：校正算法使信噪比（SNR）平均提高15%（图5c），视觉质量亦有所改善（图5b）。
- 动态成像突破：50k fps帧率为目前报道的最高值，适用于高速工业或生物显微场景。
5. 研究结论与价值
本研究通过电路创新与算法协同，实现了计算鬼成像技术从千帧到万帧级的跨越，其科学和应用价值包括：
- 技术革新：首次将LED阵列调制速率推至25 MHz，验证其替代DMD的潜力；
- 算法适配性：光强校正算法解决了LED阵列的固有问题，为后续研究提供方法论支持；
- 应用拓展：高速成像能力使其在LiFi通信、条纹投影三维成像等领域具应用前景。
6. 研究亮点
- 速度突破：50k fps刷新计算鬼成像的帧率纪录；
- 低成本方案：LED阵列造价显著低于DMD，且无需激光辅助；
- 跨领域潜力：驱动电路设计可迁移至其他需高速结构化照明的技术（如micro-LED）。
7. 其他价值
作者指出，未来研究方向包括提升LED阵列分辨率（当前32×32）及解决高功耗问题，并展望微LED（micro-LED）技术成熟后的进一步提速可能。研究受国家自然科学基金（U21B2034）和KLT开放课题（2022klt02-02）资助。