01导读
华东师范大学曾和平教授与黄坤教授团队在中红外物体边缘增强成像领域取得重要进展，创新性提出了一种宽视场中红外边缘增强上转换成像系统。该系统融合了涡旋泵浦复振幅调控与啁啾准相位匹配两项关键技术，在中红外波段同时实现了高灵敏度、大视场与高分辨的边缘检测成像。相关成果以《Wide-Field Mid-Infrared Edge-Enhanced Upconversion Imaging》为题，近日发表于光子学权威期刊 ACS Photonics。同时，该项研究也为团队近期发表于Laser & Photonics Reviews的中红外高阶微分成像工作奠定了重要基础（DOI: 10.1002/lpor.202502431）。
02研究背景
全光边缘增强成像是突出物体轮廓与微细结构的重要手段，尤其适用于弱吸收与透明样品的高对比度成像，已在无标记病理成像、机器视觉与工业质检等领域备受关注。然而，现有相关研究大多集中于可见与近红外波段。在兼具化学选择性与抗散射优势的中红外波段，实现高灵敏、宽视场的边缘增强成像，长期受限于中红外探测器暗电流噪声大、系统易受环境热背景干扰等瓶颈。近年来，频率上转换成像凭借其高灵敏探测能力与泵浦光学调控优势，为中红外全光边缘检测提供了一条可行路径。
然而，现有上转换边缘增强成像系统仍难以同时兼顾大视场与高空间分辨率。这一限制主要源于频率转换过程的相位匹配条件：传统周期极化非线性晶体的有效接收视场角通常仅在 3°以内。同时，有限的转换角度限制了基于傅里叶频谱调控的图像处理功能自由度。另外，非线性晶体相较传统空间滤波器具有一定厚度，其轴向位置偏差会引发频谱滤波条件变化，进而影响边缘增强成像的保真度。
03创新研究
为此，曾和平教授与黄坤教授团队提出了一种宽视场中红外上转换边缘增强成像新方法（图1），实现了高灵敏度、大视场与高分辨率兼备的中红外暗场成像。该方案在 4f 成像系统的傅里叶面引入涡旋泵浦光场，通过非线性参量相互作用对信号的空间频率分量进行全光空间频谱滤波，从而在单次曝光中直接获得边缘增强图像。为突破传统上转换成像的视场瓶颈，研究团队采用了啁啾极化结构的非线性晶体，通过沿光传播方向的极化周期连续变化，有效补偿不同入射角下的相位失配，大幅拓展了系统的视场接收范围。同时，通过对非线性晶体轴向位置的精确调控，系统可在明场成像与暗场成像之间平滑切换，为在同一平台内兼顾整体形貌获取与局部结构强化提供了灵活手段。研究团队利用USAF 1951分辨率板与西门子星靶标对系统性能进行了定量表征（图2）。最终，该系统在 25 mm 直径视场内实现了 79 μm 的空间分辨率，对应空间带宽积达 7.9×10⁴，约为此前报道纪录的 3 倍。
图2：中红外上转换边缘增强成像性能表征
为了系统评估该方法在低频背景抑制与纯相位物体可视化方面的性能优势，研究人员设计了两类典型场景。一方面，针对螺旋相位板等典型相位器件，边缘增强成像能够将相位突变线与相位梯度区域清晰“描边”，实现对纯相位结构的直观可视化（图3）；另一方面，在曼陀罗横切组织与蚯蚓切片等生物样品成像中，即使在低照明功率密度条件下，该方法仍显著提升了组织界面、轮廓与微细形态的辨识度，为无标记、低光毒的中红外生物医学成像与诊断提供了有力工具。
图3：中红外边缘探测应用于相位物体识别
04总结与展望
综上，研究团队提出并实现了一种融合啁啾准相位匹配与涡旋非线性滤波的宽视场中红外边缘增强上转换成像系统，兼顾了宽视场、高分辨率、高灵敏度与化学特异性等多重优势，突破了传统中红外上转换边缘增强成像空间带宽积受限的关键技术瓶颈。展望未来，通过合理选取非线性介质，该技术体系有望进一步拓展至长波红外乃至太赫兹波段，以满足这些谱段对高灵敏、高分辨成像的迫切需求。同时，空间带宽积的持续提升也将推动更多高阶光学图像处理功能的实现，例如高阶微分成像与多模态空间复用成像等，为中红外乃至更长波段的计算成像与无标记探测开辟更为广阔的应用前景。
文章信息：Mengyao Yu, Zhuohang Wei, Jianan Fang, Jixi Zhang, Tingting Zheng, Shina Liao, Kun Huang, and Heping Zeng. “Wide-Field Mid-Infrared Edge-Enhanced Upconversion Imaging,” ACS Photonics (2025).
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02252
