研究人員運用具有數百年歷史的針孔成像原理，開發出一種無需透鏡的高性能中紅外成像系統。這種新型相機能夠在大范圍距離內和弱光條件下拍攝極其清晰的照片，使其在傳統相機難以應對的場景中發揮重要作用。

研究團隊負責人、華東師范大學曾和平教授表示："許多有用信號都處于中紅外波段，比如熱信號和分子指紋信號，但在此波段工作的相機通常存在噪聲大、價格昂貴或需要冷卻的問題。此外，傳統的透鏡系統景深有限，需要精心設計以最小化光學畸變。我們開發的高靈敏度無透鏡方法，可提供比其他系統更大的景深和視場。"

研究人員在《光學》期刊發表的論文中描述了他們如何利用光在非線性晶體內形成微小的"光學針孔"，同時將紅外圖像轉換為可見圖像。通過這種設置，他們獲得了景深超過35厘米、視場大于6厘米的清晰中紅外圖像，并成功實現了三維成像。

研究團隊成員、華東師范大學的黃坤表示："這項技術可提升夜間安全性、工業質量控制和環境監測能力。由于采用更簡單的光學系統和標準硅傳感器，最終有望使紅外成像系統更經濟、便攜且節能。它甚至可應用于遠紅外或太赫茲波長等其他光譜波段，這些波段的透鏡制造困難或性能不佳。"

針孔成像的重新構想

針孔成像是最古老的成像方法之一，最早由中國墨子于公元前4世紀記載。傳統針孔相機通過讓光線穿過遮光箱上的小孔，將外部場景的倒像投射到內部對立表面。與基于透鏡的成像不同，針孔成像無畸變、具有無限景深，且適用于廣泛波長。

為將這些優勢融入現代紅外成像系統，研究人員使用強激光在非線性晶體內形成光學孔或人工孔徑。憑借特殊光學特性，該晶體將紅外圖像轉換為可見光，使標準硅相機能夠記錄圖像。

研究人員指出，采用具有啁啾周期結構的特制晶體是實現大視場的關鍵，這種結構能接收來自大角度范圍的光線。此外，上轉換檢測方法天然抑制噪聲，使其能在極弱光條件下工作。

黃坤表示："無透鏡非線性針孔成像是一種實現無畸變、大景深、寬視場中紅外高靈敏度成像的實用方法。超短同步激光脈沖還提供了內置超快光學時間門，可用于靈敏的飛行時間深度成像，即使光子數極少也能實現。"

在確定0.20毫米光學針孔半徑可產生清晰明確的細節后，研究人員使用該孔徑對11厘米、15厘米和19厘米處的目標進行成像。他們在3.07μm中紅外波長下實現了所有距離的清晰成像，證實了大深度范圍能力，甚至在35厘米距離仍能保持圖像清晰，展現出大景深特性。

無鏡頭的3D成像

研究人員隨后將系統用于兩類三維成像。在三維飛行時間成像中，他們以同步超快脈沖作為光學門對磨砂陶瓷兔成像，實現了微米級軸向精度的三維重建。即使輸入降至每脈沖約1.5個光子(模擬極弱光條件)，該方法經過相關去噪后仍能生成三維圖像。

他們還通過兩次快照拍攝堆疊"ECNU"目標，利用微小物距差異計算真實尺寸和深度，實現了約6厘米范圍內的深度測量，且無需復雜脈沖定時技術。

研究人員指出，該中紅外非線性針孔成像系統仍處于概念驗證階段，需要相對復雜的大型激光裝置。但隨著新型非線性材料和集成光源的發展，該技術將變得更加緊湊且易于部署。目前團隊正致力于提升系統速度、靈敏度及場景適應性，計劃包括提高轉換效率、增加動態控制以適應不同場景，以及擴展相機在中紅外波段的工作范圍。

審核編輯 黃宇