長期以來，中紅外波段成像因設(shè)備昂貴、需制冷且易受噪聲干擾而難以普及。傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)受限于透鏡設(shè)計，往往面臨景深有限和像差校正難題。近日，華東師范大學(xué)曾和平教授團(tuán)隊在《光學(xué)》（Optica）期刊發(fā)表成果，提出一種基于非線性晶體的無透鏡中紅外成像新方案。該研究巧妙結(jié)合古老的小孔成像原理與現(xiàn)代非線性光學(xué)技術(shù)，成功實現(xiàn)了無需透鏡即可在中紅外波段獲取清晰、大視場且具備3D重建能力的圖像，為夜視監(jiān)控、工業(yè)質(zhì)檢及環(huán)境監(jiān)測提供了極具潛力的低成本技術(shù)路徑。

中紅外波段承載著豐富的熱輻射與分子指紋信息，是許多關(guān)鍵應(yīng)用的理想選擇，但現(xiàn)有相機(jī)在此波段往往性能不佳。研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人曾和平指出，傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)不僅景深受限，還需精密設(shè)計以Zui小化光學(xué)畸變。為此，團(tuán)隊摒棄了傳統(tǒng)透鏡組，轉(zhuǎn)而利用高強(qiáng)度激光在非線性晶體內(nèi)部激發(fā)出一個微小的“光學(xué)針孔”。這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)不僅充當(dāng)了孔徑角色，更通過晶體的特殊光學(xué)性質(zhì)，將不可見的中紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見光，從而允許標(biāo)準(zhǔn)硅基傳感器直接捕捉高分辨率圖像。這種設(shè)計天然具備無限景深和寬波段適應(yīng)性，有效規(guī)避了傳統(tǒng)透鏡的像差問題。

在技術(shù)實現(xiàn)上，研究團(tuán)隊采用了具有啁啾周期結(jié)構(gòu)的特殊非線性晶體，使其能夠接收來自廣闊角度范圍的光線，從而獲得超過6厘米的大視場。同時，上轉(zhuǎn)換探測機(jī)制自然抑制了背景噪聲，使得系統(tǒng)在極低光照條件下仍能保持高靈敏度。實驗數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)在中紅外波長3.07微米下，實現(xiàn)了超過35厘米的景深和清晰成像。當(dāng)光學(xué)針孔半徑設(shè)定為約0.20毫米時，團(tuán)隊在11厘米、15厘米和19厘米的不同距離上均獲得了細(xì)節(jié)銳利的圖像，證實了其在大深度范圍內(nèi)的成像穩(wěn)定性。

除了平面成像，該系統(tǒng)在3D重建方面同樣表現(xiàn)出色。研究團(tuán)隊利用超短同步激光脈沖作為內(nèi)置的超快光學(xué)時間門，對啞光陶瓷兔子進(jìn)行了飛行時間（ToF）3D成像。即使在輸入光子數(shù)低至每脈沖1.5個的極弱光模擬條件下，經(jīng)過基于相關(guān)性的去噪處理，系統(tǒng)仍能重構(gòu)出具有微米級軸向精度的3D形狀。此外，通過雙快照深度成像技術(shù)，團(tuán)隊在約6厘米的深度范圍內(nèi)，無需復(fù)雜的脈沖定時技術(shù)即可準(zhǔn)確測量物體的真實尺寸和深度，展示了其在復(fù)雜場景下的實用潛力。

盡管目前該原型系統(tǒng)仍依賴相對復(fù)雜且龐大的激光裝置，屬于概念驗證階段，但其核心優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且易于集成。隨著新型非線性材料和集成光源的發(fā)展，該技術(shù)有望進(jìn)一步小型化，并擴(kuò)展至遠(yuǎn)紅外或太赫茲波段，解決這些波段透鏡難以制造或性能不佳的行業(yè)痛點。研究團(tuán)隊正致力于提高轉(zhuǎn)換效率、增加動態(tài)控制能力以重塑光學(xué)針孔，并拓展中紅外工作范圍，推動該技術(shù)從實驗室走向更廣泛的工業(yè)與安全應(yīng)用領(lǐng)域。