華東師大實(shí)現(xiàn)超靈敏、高分辨、大視場(chǎng)的中紅外單光子三維成像

華東師大精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾和平教授與黃坤研究員團(tuán)隊(duì)在中紅外三維成像領(lǐng)域取得進(jìn)展，發(fā)展了寬視場(chǎng)、超靈敏、高分辨的中紅外上轉(zhuǎn)換三維成像技術(shù)，獲得了單光子成像靈敏度與飛秒光學(xué)門控精度，可為芯片無(wú)損檢測(cè)、遠(yuǎn)程紅外遙感和生物醫(yī)學(xué)診斷等重要應(yīng)用提供有力支撐，相關(guān)成果以“Mid-infrared single-photon 3D imaging”為題于2023年6月9日在線發(fā)表于Light: Science & Applications。華東師大為論文的第一完成單位，博士研究生方迦南為論文第一作者，曾和平教授和黃坤研究員為共同通訊作者。

激光三維成像技術(shù)具有成像分辨率高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、探測(cè)信息豐富等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、衛(wèi)星遙感、工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)等眾多領(lǐng)域。特別是，中紅外波段位于分子指紋光譜區(qū)，涵蓋多種官能團(tuán)吸收峰，能夠?qū)θS目標(biāo)進(jìn)行化學(xué)特異性識(shí)別，在無(wú)損傷物質(zhì)材料鑒定、無(wú)標(biāo)記生物組織成像，以及非入侵醫(yī)學(xué)病理診斷等領(lǐng)域備受關(guān)注。此外，該波段包含多個(gè)大氣透射窗口，且相較于近紅外光有更好穿透煙塵、霧霾的能力，在形貌測(cè)繪與遙感識(shí)別等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)期以來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)趨近單光子水平的探測(cè)靈敏度都是中紅外三維成像領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)，對(duì)于促進(jìn)其在低光通量、光子稀疏的微光探測(cè)場(chǎng)景下的應(yīng)用具有積極意義。

然而，單光子水平的激光三維成像長(zhǎng)期以來(lái)僅局限在可見光/近紅外波段，主要制約因素在于中紅外波段缺乏高探測(cè)靈敏度與高時(shí)間分辨率的光子探測(cè)與成像器件。近年來(lái)，隨著紅外器件工藝精進(jìn)與新材料涌現(xiàn)，中紅外探測(cè)器性能得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但依然面臨著增強(qiáng)靈敏度、提升響應(yīng)帶寬、擴(kuò)大像素規(guī)模、提高工作溫度等亟待解決的難題。中紅外三維測(cè)量可以采用光學(xué)相干層析、光熱成像、光聲成像等技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，但往往需要逐點(diǎn)掃描，無(wú)法單次獲取高性噪比的大面陣成像。因此，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高分辨的中紅外單光子三維成像仍頗具挑戰(zhàn)。

圖3：中紅外單光子三維成像裝置圖

為此，華東師大研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于高精度非線性光學(xué)取樣的中紅外上轉(zhuǎn)換測(cè)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超靈敏、高分辨、大視場(chǎng)的中紅外三維成像，展示了單光子探測(cè)靈敏度、飛秒門控時(shí)間精度以及百萬(wàn)像素寬畫幅。具體而言，研究人員采用非線性光學(xué)和頻過(guò)程將信號(hào)波長(zhǎng)高效轉(zhuǎn)換至可見光波段，利用高性能硅基相機(jī)即可實(shí)現(xiàn)紅外成像，從而規(guī)避了現(xiàn)有紅外焦平面陣列靈敏度不足的技術(shù)瓶頸。同時(shí)，該上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)采用同步脈沖泵浦方案，可將背景噪聲限制在極窄時(shí)間窗口內(nèi)，結(jié)合精密頻譜濾波可以有效提升探測(cè)信噪比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單光子水平的成像靈敏度。此外，研究人員沿用課題組此前發(fā)展的非線性廣角成像技術(shù)[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，通過(guò)單次曝光即可獲得大視場(chǎng)成像，免除了逐點(diǎn)機(jī)械掃描過(guò)程，大幅提升了成像速度。

圖4：中紅外三維立體成像，被測(cè)信號(hào)強(qiáng)度約為1光子/像素/秒

進(jìn)一步，研究人員采用超快光學(xué)符合門控技術(shù)，精確測(cè)量中紅外信號(hào)的相對(duì)飛行時(shí)間，從而得到被測(cè)物體表面的形貌信息。該時(shí)間飛行成像系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力取決于光學(xué)脈沖寬度，可以達(dá)到飛秒水平的時(shí)間標(biāo)記精度，通過(guò)高速延時(shí)掃描與寬場(chǎng)全幅采集，對(duì)被測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行快速時(shí)域切片，進(jìn)而反演出目標(biāo)界面的反射率、透射率以及材料的吸收率、折射率、色散量等豐富信息。圖4展示了多角度中紅外照明下三維數(shù)據(jù)信息融合重構(gòu)出的被測(cè)目標(biāo)立體形貌，其中被測(cè)信號(hào)強(qiáng)度約為1光子/像素/秒。

圖5：時(shí)空關(guān)聯(lián)去噪算法，信號(hào)和噪聲水平分別約為0.05和1000光子/像素/秒

在稀疏光子場(chǎng)景中，有效信號(hào)往往被淹沒(méi)在嚴(yán)重的背景噪聲中，僅從強(qiáng)度信息通常難以識(shí)別被測(cè)目標(biāo)。為此，如何有效地區(qū)分信號(hào)和噪聲光成為單光子成像的關(guān)鍵難點(diǎn)。為模擬極低照度、高噪聲場(chǎng)景，該研究團(tuán)隊(duì)將紅外信號(hào)衰減至0.05光子/像素/秒，對(duì)應(yīng)的信噪比低至1:20000。如圖5a-c所示，傳統(tǒng)強(qiáng)度峰值識(shí)別算法并不能有效甄別信號(hào)。在主動(dòng)成像中，成像系統(tǒng)接收的信號(hào)光子在時(shí)-空域上具有一定的連續(xù)性，而背景噪聲光子則會(huì)隨機(jī)分布在整個(gè)時(shí)間軸與空間像素點(diǎn)上。

基于該特性，研究人員發(fā)展了精確、高效和魯棒的點(diǎn)云去噪算法，通過(guò)關(guān)聯(lián)增強(qiáng)空間相鄰像素與相鄰時(shí)間幀的強(qiáng)度，有效提取與甄別信號(hào)光子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高背景噪聲下的中紅外單光子三維成像（圖5d-i）。 所發(fā)展的中紅外三維成像技術(shù)具備高靈敏與高分辨的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，結(jié)合該波段優(yōu)越的抗散射干擾能力，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的紅外場(chǎng)景恢復(fù)具有重要意義，可以發(fā)展出中紅外散射成像與中紅外非視域成像。此外，通過(guò)調(diào)諧中紅外信號(hào)波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)四維高光譜成像，可為材料檢測(cè)、無(wú)損探傷、生物成像等創(chuàng)新應(yīng)用提供有力支撐。 近年來(lái)，曾和平教授與黃坤研究員課題組在紅外單光子測(cè)控方面開展了系列創(chuàng)新研究，先后發(fā)展了中紅外非線性廣角成像 [Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，中紅外單光子單像素成像[Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及高幀頻中紅外單光子光譜 [Laser Photonics Rev. 2300149 (2023)]等。相關(guān)工作得到了科技部、基金委、上海市、重慶市與華東師大的資助。

審核編輯：劉清