華東師大超高速大視場的中紅外高光譜成像取得重大突破

近日，華東師范大學科研團隊在中紅外光譜成像技術上取得突破，利用非線性上轉換成像與可調諧聲光濾波技術，提高了信息采集速度，實現了超靈敏、大視場、高幀率的中紅外高光譜視頻成像，為多個應用領域如化學瞬態分析、生物成像、醫學影像及燃燒場診斷等提供了有力支持。

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高光譜成像是將成像技術與光譜技術相結合的多維信息獲取手段，可在百個甚至更多譜段對目標進行非侵入式成像，生成包含空間和光譜信息的圖譜數據立方。因此，高光譜圖像具有“圖譜合一”的重要特征，每個像素都對應一組光譜信息，所含的豐富信息能夠對樣品的化學成分、含量與分布進行測定與表征。特別地，中紅外波段位于分子的指紋光譜區，包含許多官能團的吸收峰，實現該波段的高光譜成像能夠對待測目標進行無標記精確識別。因此，中紅外高光譜成像技術已被廣泛應用于痕量分析、環境監測、生物醫藥、材料科學等領域。

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然而，兼具多譜段與大畫幅的紅外高光譜成像系統長期以來局限于觀測靜態樣品或低速運動場景，難以用于快速目標測量或動態過程捕捉。一方面，高光譜成像所生成的圖譜數據提供了豐富的目標信息，有助于準確分析與識別樣品；另一方面，龐大的數據采集量極大限制了高光譜成像速率。例如，傳統擺掃式和推掃式高光譜成像系統主要借助光柵、棱鏡等器件實現信號色散分光，在空間信息獲取上往往需要依賴點掃描或線掃描來實現二維圖像覆蓋。

為了克服冗長的機械掃描，全幅式光譜成像技術應運而生，其采用可調諧窄帶光源（如光參量振蕩器、量子級聯激光器）或波長可調濾波器（如聲光、液晶濾波器）進行光譜掃描，有效提升了多像素圖像的采集效率。即便如此，中紅外高光譜成像速度仍很大程度上受限于該波段焦平面探測陣列的工作幀頻（尤其對于大面陣多像素相機），單色光譜圖像采集幀率的典型值為50 Hz @ 512×512像素。相應地，采集百個波長通道以上的高光譜成像往往需要數秒甚至更長時間，距離可實時觀測的視頻幀率還有量級上的差距。當前，實現大視場、多波段、高幀頻的中紅外高光譜成像仍頗具挑戰，需要同時實現高速光譜掃描與高速圖像采集。

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為此，研究團隊創新結合非線性廣角成像技術與高速聲光濾波技術，能夠同時提升紅外圖像采集速率與紅外光譜切換速率，克服了傳統方案在圖譜信息獲取上的短板，實現了高達百赫茲的三維圖譜刷新率，在同等譜段數與像素規模下，比此前記錄提升了至少兩個數量級。

具體地，研究人員采用特殊設計的啁啾極化鈮酸鋰晶體，實現寬波段非線性光學和頻，將超連續譜中紅外信號一次性轉換至可見光波段。該過程具有大視場空間映射和高保真度光譜轉換的特點，可在空間和光譜維度上保留完整的目標圖譜信息。

為了實現高速率、高精度的波長調控，研究人員采用聲光可調濾波技術，獲得了微秒級的波長切換速度與納米級的窄帶濾波帶寬。濾波后的單色圖像由高性能硅基相機捕獲，規避了現有紅外焦平面探測陣列在靈敏度、像素數、幀率等方面的不足，從而實現大視場、多像素、高幀頻的紅外圖像采集。

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實驗中，所搭建的高光譜成像系統工作波長為2.4-4.1 μm，涵蓋多種CH/OH化學鍵的紅外伸縮與振動吸收譜線，是有機物材料鑒別的重要譜段。為了展示高光譜成像在物質鑒別與動態場景中的應用，研究人員選用了乙醇和苯兩種化學樣品，他們在肉眼下觀察均為無色透明，而通過高光譜成像可測量得到迥異紅外特征光譜（圖4A），利用獨特的分子選擇性即可實現樣品成分的有效甄別。在高光譜三維數據采集中，單波長大視場成像（近百萬像素畫幅）的積分時間僅為100 μs，獲取100個譜段的圖譜立方數據則僅需10 ms（圖4B），從而實現100 Hz水平的大視場高光譜影像。與傳統機械式波長調諧方式不同，聲光可調濾波器不受機械慣性限制，可對光譜進行快速動態調控，實現連續不間斷的循環波長掃描，為實時光譜視頻成像提供了可能。如圖4C-4E所示，可根據樣品吸收光譜特征，選取多幅單色灰度圖像進行RGB填色合成，實現對樣品化學差異與濃度分布更直觀的可視化。

值得一提的是，所發展的上轉換光譜成像技術得益于非線性光學混頻過程中所需的相位匹配條件，使得不同波長的單色上轉換圖像具有不同的空間縮放因子，從而形成波長-空間耦合的獨特成像效果，結合特定信息編碼和計算成像算法，可以從單幅灰度圖像恢復出三維圖譜信息，進而發展出單發快照式紅外高光譜成像，為實現超高速光譜攝影提供了有效途徑。

此外，該技術可以擴展到長波紅外或太赫茲波段，以滿足該譜段對于高速光譜成像的迫切需求，可為材料、化學、生物、醫學等領域提供具有吸引力的光譜影像分析手段。 近年來，曾和平教授與黃坤研究員課題組在中紅外多維成像領域開展了系列創新研究，先后發展了中紅外非線性廣角成像 [Nature Comm. 13, 1077 (2022)]、中紅外單光子單像素成像[Nature Comm. 14, 1073 (2023)]、以及中紅外單光子三維成像 [Light Sci. Appl. 12, 144 (2023)]等。相關工作得到了科技部、基金委、上海市、重慶市與華東師大的資助。

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成果：《Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate》

（——SUNSHINE）

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