华东师大实现超灵敏、高分辨、大视场的中红外单光子三维成像

华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤研究员团队在中红外三维成像领域取得进展，发展了宽视场、超灵敏、高分辨的中红外上转换三维成像技术，获得了单光子成像灵敏度与飞秒光学门控精度，可为芯片无损检测、远程红外遥感和生物医学诊断等重要应用提供有力支撑，相关成果以“Mid-infrared single-photon 3D imaging”为题于2023年6月9日在线发表于Light: Science & Applications。华东师大为论文的第一完成单位，博士研究生方迦南为论文第一作者，曾和平教授和黄坤研究员为共同通讯作者。

激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、探测信息丰富等优点而被广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、工业生产检测等众多领域。特别是，中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖多种官能团吸收峰，能够对三维目标进行化学特异性识别，在无损伤物质材料鉴定、无标记生物组织成像，以及非入侵医学病理诊断等领域备受关注。此外，该波段包含多个大气透射窗口，且相较于近红外光有更好穿透烟尘、雾霾的能力，在形貌测绘与遥感识别等方面具有独特优势。长期以来，如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外三维成像领域的国际研究热点，对于促进其在低光通量、光子稀疏的微光探测场景下的应用具有积极意义。

然而，单光子水平的激光三维成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于中红外波段缺乏高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件。近年来，随着红外器件工艺精进与新材料涌现，中红外探测器性能得到了长足发展，但依然面临着增强灵敏度、提升响应带宽、扩大像素规模、提高工作温度等亟待解决的难题。中红外三维测量可以采用光学相干层析、光热成像、光声成像等技术方案来实现，但往往需要逐点扫描，无法单次获取高性噪比的大面阵成像。因此，实现大视场、高分辨的中红外单光子三维成像仍颇具挑战。

图3：中红外单光子三维成像装置图

为此，华东师大研究团队发展了基于高精度非线性光学取样的中红外上转换测控技术，实现了超灵敏、高分辨、大视场的中红外三维成像，展示了单光子探测灵敏度、飞秒门控时间精度以及百万像素宽画幅。具体而言，研究人员采用非线性光学和频过程将信号波长高效转换至可见光波段，利用高性能硅基相机即可实现红外成像，从而规避了现有红外焦平面阵列灵敏度不足的技术瓶颈。同时，该上转换成像系统采用同步脉冲泵浦方案，可将背景噪声限制在极窄时间窗口内，结合精密频谱滤波可以有效提升探测信噪比，进而实现单光子水平的成像灵敏度。此外，研究人员沿用课题组此前发展的非线性广角成像技术[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，通过单次曝光即可获得大视场成像，免除了逐点机械扫描过程，大幅提升了成像速度。

图4：中红外三维立体成像，被测信号强度约为1光子/像素/秒

进一步，研究人员采用超快光学符合门控技术，精确测量中红外信号的相对飞行时间，从而得到被测物体表面的形貌信息。该时间飞行成像系统的时间分辨能力取决于光学脉冲宽度，可以达到飞秒水平的时间标记精度，通过高速延时扫描与宽场全幅采集，对被测场景进行快速时域切片，进而反演出目标界面的反射率、透射率以及材料的吸收率、折射率、色散量等丰富信息。图4展示了多角度中红外照明下三维数据信息融合重构出的被测目标立体形貌，其中被测信号强度约为1光子/像素/秒。

图5：时空关联去噪算法，信号和噪声水平分别约为0.05和1000光子/像素/秒

在稀疏光子场景中，有效信号往往被淹没在严重的背景噪声中，仅从强度信息通常难以识别被测目标。为此，如何有效地区分信号和噪声光成为单光子成像的关键难点。为模拟极低照度、高噪声场景，该研究团队将红外信号衰减至0.05光子/像素/秒，对应的信噪比低至1:20000。如图5a-c所示，传统强度峰值识别算法并不能有效甄别信号。在主动成像中，成像系统接收的信号光子在时-空域上具有一定的连续性，而背景噪声光子则会随机分布在整个时间轴与空间像素点上。

基于该特性，研究人员发展了精确、高效和鲁棒的点云去噪算法，通过关联增强空间相邻像素与相邻时间帧的强度，有效提取与甄别信号光子，进而实现高背景噪声下的中红外单光子三维成像（图5d-i）。 所发展的中红外三维成像技术具备高灵敏与高分辨的独特优势，结合该波段优越的抗散射干扰能力，对于复杂环境下的红外场景恢复具有重要意义，可以发展出中红外散射成像与中红外非视域成像。此外，通过调谐中红外信号波长，可以实现四维高光谱成像，可为材料检测、无损探伤、生物成像等创新应用提供有力支撑。 近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外单光子测控方面开展了系列创新研究，先后发展了中红外非线性广角成像 [Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，中红外单光子单像素成像[Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及高帧频中红外单光子光谱 [Laser Photonics Rev. 2300149 (2023)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的资助。

审核编辑：刘清