研究人員運(yùn)用具有數(shù)百年歷史的針孔成像原理，開發(fā)出一種無需透鏡的高性能中紅外成像系統(tǒng)。這種新型相機(jī)能夠在大范圍距離內(nèi)和弱光條件下拍攝極其清晰的照片，使其在傳統(tǒng)相機(jī)難以應(yīng)對(duì)的場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、華東師范大學(xué)曾和平教授表示："許多有用信號(hào)都處于中紅外波段，比如熱信號(hào)和分子指紋信號(hào)，但在此波段工作的相機(jī)通常存在噪聲大、價(jià)格昂貴或需要冷卻的問題。此外，傳統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)景深有限，需要精心設(shè)計(jì)以最小化光學(xué)畸變。我們開發(fā)的高靈敏度無透鏡方法，可提供比其他系統(tǒng)更大的景深和視場(chǎng)。"

研究人員在《光學(xué)》期刊發(fā)表的論文中描述了他們?nèi)绾卫霉庠诜蔷€性晶體內(nèi)形成微小的"光學(xué)針孔"，同時(shí)將紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見圖像。通過這種設(shè)置，他們獲得了景深超過35厘米、視場(chǎng)大于6厘米的清晰中紅外圖像，并成功實(shí)現(xiàn)了三維成像。

研究團(tuán)隊(duì)成員、華東師范大學(xué)的黃坤表示："這項(xiàng)技術(shù)可提升夜間安全性、工業(yè)質(zhì)量控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)能力。由于采用更簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)硅傳感器，最終有望使紅外成像系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、便攜且節(jié)能。它甚至可應(yīng)用于遠(yuǎn)紅外或太赫茲波長(zhǎng)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(gòu)想

針孔成像是最古老的成像方法之一，最早由中國(guó)墨子于公元前4世紀(jì)記載。傳統(tǒng)針孔相機(jī)通過讓光線穿過遮光箱上的小孔，將外部場(chǎng)景的倒像投射到內(nèi)部對(duì)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(zhǎng)。

為將這些優(yōu)勢(shì)融入現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)，研究人員使用強(qiáng)激光在非線性晶體內(nèi)形成光學(xué)孔或人工孔徑。憑借特殊光學(xué)特性，該晶體將紅外圖像轉(zhuǎn)換為可見光，使標(biāo)準(zhǔn)硅相機(jī)能夠記錄圖像。

研究人員指出，采用具有啁啾周期結(jié)構(gòu)的特制晶體是實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的關(guān)鍵，這種結(jié)構(gòu)能接收來自大角度范圍的光線。此外，上轉(zhuǎn)換檢測(cè)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(shí)現(xiàn)無畸變、大景深、寬視場(chǎng)中紅外高靈敏度成像的實(shí)用方法。超短同步激光脈沖還提供了內(nèi)置超快光學(xué)時(shí)間門，可用于靈敏的飛行時(shí)間深度成像，即使光子數(shù)極少也能實(shí)現(xiàn)。"

在確定0.20毫米光學(xué)針孔半徑可產(chǎn)生清晰明確的細(xì)節(jié)后，研究人員使用該孔徑對(duì)11厘米、15厘米和19厘米處的目標(biāo)進(jìn)行成像。他們?cè)?.07μm中紅外波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了所有距離的清晰成像，證實(shí)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(xiàn)出大景深特性。

無鏡頭的3D成像

研究人員隨后將系統(tǒng)用于兩類三維成像。在三維飛行時(shí)間成像中，他們以同步超快脈沖作為光學(xué)門對(duì)磨砂陶瓷兔成像，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)軸向精度的三維重建。即使輸入降至每脈沖約1.5個(gè)光子(模擬極弱光條件)，該方法經(jīng)過相關(guān)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(biāo)，利用微小物距差異計(jì)算真實(shí)尺寸和深度，實(shí)現(xiàn)了約6厘米范圍內(nèi)的深度測(cè)量，且無需復(fù)雜脈沖定時(shí)技術(shù)。

研究人員指出，該中紅外非線性針孔成像系統(tǒng)仍處于概念驗(yàn)證階段，需要相對(duì)復(fù)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(fā)展，該技術(shù)將變得更加緊湊且易于部署。目前團(tuán)隊(duì)正致力于提升系統(tǒng)速度、靈敏度及場(chǎng)景適應(yīng)性，計(jì)劃包括提高轉(zhuǎn)換效率、增加動(dòng)態(tài)控制以適應(yīng)不同場(chǎng)景，以及擴(kuò)展相機(jī)在中紅外波段的工作范圍。

審核編輯 黃宇