華東師大實現(xiàn)超靈敏、高分辨、大視場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)國家重點實驗室曾和平教授與黃坤研究員團隊在中紅外三維成像領(lǐng)域取得進展，發(fā)展了寬視場、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，可為芯片無損檢測、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、測量距離遠(yuǎn)、探測信息豐富等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于自動駕駛、衛(wèi)星遙感、工業(yè)生產(chǎn)檢測等眾多領(lǐng)域。特別是，中紅外波段位于分子指紋光譜區(qū)，涵蓋多種官能團吸收峰，能夠?qū)θS目標(biāo)進行化學(xué)特異性識別，在無損傷物質(zhì)材料鑒定、無標(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，在形貌測繪與遙感識別等方面具有獨特優(yōu)勢。長期以來，如何實現(xiàn)趨近單光子水平的探測靈敏度都是中紅外三維成像領(lǐng)域的國際研究熱點，對于促進其在低光通量、光子稀疏的微光探測場景下的應(yīng)用具有積極意義。

然而，單光子水平的激光三維成像長期以來僅局限在可見光/近紅外波段，主要制約因素在于中紅外波段缺乏高探測靈敏度與高時間分辨率的光子探測與成像器件。近年來，隨著紅外器件工藝精進與新材料涌現(xiàn)，中紅外探測器性能得到了長足發(fā)展，但依然面臨著增強靈敏度、提升響應(yīng)帶寬、擴大像素規(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)方案來實現(xiàn)，但往往需要逐點掃描，無法單次獲取高性噪比的大面陣成像。因此，實現(xiàn)大視場、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，華東師大研究團隊發(fā)展了基于高精度非線性光學(xué)取樣的中紅外上轉(zhuǎn)換測控技術(shù)，實現(xiàn)了超靈敏、高分辨、大視場的中紅外三維成像，展示了單光子探測靈敏度、飛秒門控時間精度以及百萬像素寬畫幅。具體而言，研究人員采用非線性光學(xué)和頻過程將信號波長高效轉(zhuǎn)換至可見光波段，利用高性能硅基相機即可實現(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，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間窗口內(nèi)，結(jié)合精密頻譜濾波可以有效提升探測信噪比，進而實現(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)]，通過單次曝光即可獲得大視場成像，免除了逐點機械掃描過程，大幅提升了成像速度。

圖4：中紅外三維立體成像，被測信號強度約為1光子/像素/秒

進一步，研究人員采用超快光學(xué)符合門控技術(shù)，精確測量中紅外信號的相對飛行時間，從而得到被測物體表面的形貌信息。該時間飛行成像系統(tǒng)的時間分辨能力取決于光學(xué)脈沖寬度，可以達(dá)到飛秒水平的時間標(biāo)記精度，通過高速延時掃描與寬場全幅采集，對被測場景進行快速時域切片，進而反演出目標(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)出的被測目標(biāo)立體形貌，其中被測信號強度約為1光子/像素/秒。

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

在稀疏光子場景中，有效信號往往被淹沒在嚴(yán)重的背景噪聲中，僅從強度信息通常難以識別被測目標(biāo)。為此，如何有效地區(qū)分信號和噪聲光成為單光子成像的關(guān)鍵難點。為模擬極低照度、高噪聲場景，該研究團隊將紅外信號衰減至0.05光子/像素/秒，對應(yīng)的信噪比低至1:20000。如圖5a-c所示，傳統(tǒng)強度峰值識別算法并不能有效甄別信號。在主動成像中，成像系統(tǒng)接收的信號光子在時-空域上具有一定的連續(xù)性，而背景噪聲光子則會隨機分布在整個時間軸與空間像素點上。

基于該特性，研究人員發(fā)展了精確、高效和魯棒的點云去噪算法，通過關(guān)聯(lián)增強空間相鄰像素與相鄰時間幀的強度，有效提取與甄別信號光子，進而實現(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特優(yōu)勢，結(jié)合該波段優(yōu)越的抗散射干擾能力，對于復(fù)雜環(huán)境下的紅外場景恢復(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，通過調(diào)諧中紅外信號波長，可以實現(xiàn)四維高光譜成像，可為材料檢測、無損探傷、生物成像等創(chuàng)新應(yīng)用提供有力支撐。 近年來，曾和平教授與黃坤研究員課題組在紅外單光子測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