研究人员复兴针孔相机技术以推动下一代红外成像发展

研究人员运用具有数百年历史的针孔成像原理，开发出一种无需透镜的高性能中红外成像系统。这种新型相机能够在大范围距离内和弱光条件下拍摄极其清晰的照片，使其在传统相机难以应对的场景中发挥重要作用。

研究团队负责人、华东师范大学曾和平教授表示："许多有用信号都处于中红外波段，比如热信号和分子指纹信号，但在此波段工作的相机通常存在噪声大、价格昂贵或需要冷却的问题。此外，传统的透镜系统景深有限，需要精心设计以最小化光学畸变。我们开发的高灵敏度无透镜方法，可提供比其他系统更大的景深和视场。"

研究人员在《光学》期刊发表的论文中描述了他们如何利用光在非线性晶体内形成微小的"光学针孔"，同时将红外图像转换为可见图像。通过这种设置，他们获得了景深超过35厘米、视场大于6厘米的清晰中红外图像，并成功实现了三维成像。

研究团队成员、华东师范大学的黄坤表示："这项技术可提升夜间安全性、工业质量控制和环境监测能力。由于采用更简单的光学系统和标准硅传感器，最终有望使红外成像系统更经济、便携且节能。它甚至可应用于远红外或太赫兹波长等其他光谱波段，这些波段的透镜制造困难或性能不佳。"

针孔成像的重新构想

针孔成像是最古老的成像方法之一，最早由中国墨子于公元前4世纪记载。传统针孔相机通过让光线穿过遮光箱上的小孔，将外部场景的倒像投射到内部对立表面。与基于透镜的成像不同，针孔成像无畸变、具有无限景深，且适用于广泛波长。

为将这些优势融入现代红外成像系统，研究人员使用强激光在非线性晶体内形成光学孔或人工孔径。凭借特殊光学特性，该晶体将红外图像转换为可见光，使标准硅相机能够记录图像。

研究人员指出，采用具有啁啾周期结构的特制晶体是实现大视场的关键，这种结构能接收来自大角度范围的光线。此外，上转换检测方法天然抑制噪声，使其能在极弱光条件下工作。

黄坤表示："无透镜非线性针孔成像是一种实现无畸变、大景深、宽视场中红外高灵敏度成像的实用方法。超短同步激光脉冲还提供了内置超快光学时间门，可用于灵敏的飞行时间深度成像，即使光子数极少也能实现。"

在确定0.20毫米光学针孔半径可产生清晰明确的细节后，研究人员使用该孔径对11厘米、15厘米和19厘米处的目标进行成像。他们在3.07μm中红外波长下实现了所有距离的清晰成像，证实了大深度范围能力，甚至在35厘米距离仍能保持图像清晰，展现出大景深特性。

无镜头的3D成像

研究人员随后将系统用于两类三维成像。在三维飞行时间成像中，他们以同步超快脉冲作为光学门对磨砂陶瓷兔成像，实现了微米级轴向精度的三维重建。即使输入降至每脉冲约1.5个光子（模拟极弱光条件），该方法经过相关去噪后仍能生成三维图像。

他们还通过两次快照拍摄堆叠"ECNU"目标，利用微小物距差异计算真实尺寸和深度，实现了约6厘米范围内的深度测量，且无需复杂脉冲定时技术。

研究人员指出，该中红外非线性针孔成像系统仍处于概念验证阶段，需要相对复杂的大型激光装置。但随着新型非线性材料和集成光源的发展，该技术将变得更加紧凑且易于部署。目前团队正致力于提升系统速度、灵敏度及场景适应性，计划包括提高转换效率、增加动态控制以适应不同场景，以及扩展相机在中红外波段的工作范围。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.566042