華師大在中紅外成像系統(tǒng)方面取得重要進展

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）近日，華東師大官網(wǎng)信息顯示，該校精密光譜科學與技術(shù)國家重點實驗室曾和平教授團隊在紅外靈敏成像領(lǐng)域取得重要進展，提出了基于啁啾極化晶體的上轉(zhuǎn)換廣角成像新方法，實現(xiàn)了寬視場、超靈敏、高幀頻的中紅外光子成像，可為分子光譜、天文觀測、環(huán)境遙感及生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域提供有力支撐。

當前，隨著技術(shù)發(fā)展越來越成熟，紅外技術(shù)在軍民市場都有著廣闊的應用前景。比如紅外測溫儀，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國紅外線測溫儀市場規(guī)模從2015年的94.90億元增長至2019年的220.80億元，年均復合增長率達到23.50%。預計到2022年，中國紅外測溫儀市場規(guī)模將達到445億元，相較于2019年進一步實現(xiàn)了規(guī)模翻倍。

在實際應用中，紅外測溫儀一次一般只能測量一個點，受光學系統(tǒng)的限制，其光學分辨率較小，可以看作是只有一個像素的熱像儀，顯示目標上單個點的溫度測量值。因此，在知道確切問題的近距離測溫中，紅外測溫儀是高性價比之選。

然而，隨著測量需求的復雜度逐漸提升，在距離和測試面積上都大大增加，測量目標往往需要系統(tǒng)測量才能夠得出結(jié)論。比如，在工業(yè)設(shè)備檢測中，發(fā)熱常常是設(shè)備損壞或者功能故障的早期征兆，也是進行預測性維護的一個關(guān)鍵性能參數(shù)，而紅外測溫儀要做設(shè)備監(jiān)測效率很低。那么，由光學器件和探測器組成的紅外成像儀便成為更好的方案，絕大多數(shù)紅外成像儀的距離系數(shù)比（D:S比）都高于紅外測溫儀，具有安全、直觀、高效、防止漏檢4大核心優(yōu)勢。疫情期間，公共場所測體溫的設(shè)備很多都開始換成紅外成像儀。

從定義上講，波長從0.9微米到1000微米電磁輻射都可稱之為紅外輻射，不過3微米到5微米的中紅外波段以及8微米到12微米的熱紅外波段在大氣透過率較高。前者被應用于天文觀測、環(huán)境遙感等項目中；后者由于能夠獲得完整的熱排放量的被動影像，適用于熱成像。此外還有波長在 0.75微米到1.4 微米的近紅外線，由于對影像的增強非常敏銳，適用于夜視設(shè)備應用。

因此，曾和平教授團隊的研究成果并不適用于我們熟悉的測溫用的紅外成像儀，而是更偏向于科研應用這個方向。通過這層層遞進的關(guān)系，就很清晰曾和平教授團隊這項突破的意義所在。一旦該技術(shù)能夠產(chǎn)品化，單看非軍用市場，天文觀測、環(huán)境遙感等會受到助益。

不過，無論是何種紅外成像，設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)是大體相同的。如上所述，光學組件和探測器是紅外成像設(shè)備最重要的兩個組成部分。在光學組件方面，曾和平教授團隊采用高性能硅基CMOS相機實現(xiàn)了超高速中紅外成像，實時拍攝了高速旋轉(zhuǎn)的斬波片，其外沿線速度高達30m/s。得益于成像系統(tǒng)的高靈敏度，實驗中相機曝光時間可低至微秒量級，中紅外成像幀頻達到了216 000幀/秒，相比于現(xiàn)有中紅外相機提高了2-3個量級。

為了提升信號接收角，做到寬視場成像，曾和平教授團隊提出了基于啁啾準相位匹配的上轉(zhuǎn)換廣角成像技術(shù)，利用啁啾極化鈮酸鋰晶體（CPLN）實現(xiàn)了不同角度入射信號的自適應相位匹配，獲得的接收角較傳統(tǒng)方案提升了至少1個量級。

圖源：華師大官網(wǎng)

目前，曾和平教授團隊的相關(guān)研究進展都發(fā)布在曾和平課題組官網(wǎng)上，該網(wǎng)站于2020年11月27日正式上線，記載了該團隊于2018年7月至今對外公開的研究項目。能夠看到，研究基本圍繞光子和成像。

2021年8月，曾和平教授團隊對外發(fā)布了一份關(guān)于中紅外單光子邊緣增強成像的研究進展。紅外成像普遍存在噪聲大、圖像對比度低、信噪比低、邊緣不清晰、視覺效果模糊、灰度范圍窄的現(xiàn)象。中紅外單光子邊緣增強成像正是為了解決邊緣不清晰問題。

圖源：曾和平課題組官網(wǎng)

該團隊利用高靈敏硅基電子倍增CCD (EMCCD)相機，在0.5光子/脈沖的極低照度下實現(xiàn)了單光子水平的中紅外二維成像。進一步地，通過在非線性混頻過程中引入攜帶渦旋相位的泵浦光場，可以將螺旋相位高保真加載到中紅外傅里葉空間頻譜成分上，從而實現(xiàn)超靈敏中紅外邊緣增強成像。

發(fā)展至今，紅外成像技術(shù)已經(jīng)從第一代的長波紅外，到現(xiàn)在的雙波紅外和多波紅外，并開始在芯片級去實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。不過，單一紅外技術(shù)的進步，比如曾和平教授團隊的中紅外新進展，是整體系統(tǒng)提升的基礎(chǔ)。