华东师大研发无透镜中红外相机 实现三维成像

长期以来，中红外波段成像因设备昂贵、需制冷且易受噪声干扰而难以普及。传统光学系统受限于透镜设计，往往面临景深有限和像差校正难题。近日，华东师范大学曾和平教授团队在《光学》（Optica）期刊发表成果，提出一种基于非线性晶体的无透镜中红外成像新方案。该研究巧妙结合古老的小孔成像原理与现代非线性光学技术，成功实现了无需透镜即可在中红外波段获取清晰、大视场且具备3D重建能力的图像，为夜视监控、工业质检及环境监测提供了极具潜力的低成本技术路径。

中红外波段承载着丰富的热辐射与分子指纹信息，是许多关键应用的理想选择，但现有相机在此波段往往性能不佳。研究团队负责人曾和平指出，传统透镜系统不仅景深受限，还需精密设计以Zui小化光学畸变。为此，团队摒弃了传统透镜组，转而利用高强度激光在非线性晶体内部激发出一个微小的“光学针孔”。这一创新结构不仅充当了孔径角色，更通过晶体的特殊光学性质，将不可见的中红外图像转换为可见光，从而允许标准硅基传感器直接捕捉高分辨率图像。这种设计天然具备无限景深和宽波段适应性，有效规避了传统透镜的像差问题。

在技术实现上，研究团队采用了具有啁啾周期结构的特殊非线性晶体，使其能够接收来自广阔角度范围的光线，从而获得超过6厘米的大视场。同时，上转换探测机制自然抑制了背景噪声，使得系统在极低光照条件下仍能保持高灵敏度。实验数据显示，该系统在中红外波长3.07微米下，实现了超过35厘米的景深和清晰成像。当光学针孔半径设定为约0.20毫米时，团队在11厘米、15厘米和19厘米的不同距离上均获得了细节锐利的图像，证实了其在大深度范围内的成像稳定性。

除了平面成像，该系统在3D重建方面同样表现出色。研究团队利用超短同步激光脉冲作为内置的超快光学时间门，对哑光陶瓷兔子进行了飞行时间（ToF）3D成像。即使在输入光子数低至每脉冲1.5个的极弱光模拟条件下，经过基于相关性的去噪处理，系统仍能重构出具有微米级轴向精度的3D形状。此外，通过双快照深度成像技术，团队在约6厘米的深度范围内，无需复杂的脉冲定时技术即可准确测量物体的真实尺寸和深度，展示了其在复杂场景下的实用潜力。

尽管目前该原型系统仍依赖相对复杂且庞大的激光装置，属于概念验证阶段，但其核心优势在于结构简单、成本低廉且易于集成。随着新型非线性材料和集成光源的发展，该技术有望进一步小型化，并扩展至远红外或太赫兹波段，解决这些波段透镜难以制造或性能不佳的行业痛点。研究团队正致力于提高转换效率、增加动态控制能力以重塑光学针孔，并拓展中红外工作范围，推动该技术从实验室走向更广泛的工业与安全应用领域。