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高速成像领域取得重要进展。团队提出并展示了一种基于非线性结构门控的中红外运动去模糊新方法，将计算成像的时间编码机制与频率上转换的高灵敏探测优势有机结合，在单次曝光条件下实现了中红外动态场景的高保真重建，有效缓解了时间分辨率、探测灵敏度与运动模糊之间的固有制约。该工作为实现高速、高灵敏中红外瞬态成像提供了新范式，在燃烧场诊断、化学动力学与生物医学传感等领域具有广泛应用前景。相关成果以《Mid-infrared motion deblurring via nonlinear structured gating》为题发表于Photonics Research（图一）。华东师范大学为论文第一完成单位，硕士研究生彭敏为第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通讯作者。
图1：Photonics Research刊发华东师大研究团队的最新成果
02 研究背景
中红外高速成像是解析燃烧动力学、分子反应过程及热辐射演化等瞬态现象的重要手段。相较于可见光成像，中红外波段可直接表征分子振转能级及热辐射信息，因而在化学分析、热过程监测和生命健康研究中具有独特优势。然而，传统中红外探测器普遍存在暗电流大、热噪声强、读出速度低等问题，通常依赖低温制冷，难以在短积分时间内兼顾高信噪比和高帧率成像。由此，“高灵敏探测”与“高时间分辨”之间的内在矛盾，长期制约着中红外瞬态成像的发展。
针对上述瓶颈，编码曝光等计算成像方法通过重塑系统的时间频率响应，为提升时间分辨率提供了新途径。然而，其在中红外波段的应用仍受到关键器件性能的制约：一方面，高速调制器的缺乏限制了有效时间编码自由度；另一方面，尽管频率上转换技术可借助硅基探测器实现高灵敏、低噪声探测，其成像速率仍受限于相机读出带宽与片上存储能力。此外，现有空间光调制器带宽通常仅在约10 kHz量级，使单位曝光时间内可实现的时间采样数受限，从而在时间分辨率、空间视场与信噪比之间引入内在权衡。因此，实现兼具高灵敏度与高时空分辨率的中红外瞬态成像仍颇具挑战。
图2：中红外运动去模糊概念图
03 创新研究
为突破中红外瞬态成像中“调制受限—探测受限”的双重瓶颈，黄坤研究员与曾和平教授团队提出并实验验证了一种基于非线性结构门控的中红外运动去模糊新方法（如图2）。该方法将计算成像的时间编码机制与频率上转换的高灵敏探测优势有机融合，在单次曝光条件下实现了中红外动态场景的高保真重建，从而有效绕开中红外波段缺乏高速调制器与高性能探测器的关键限制。
具体而言，研究人员将高带宽时间调制加载至近红外泵浦光（1030 nm），通过非线性和频过程将编码序列映射至中红外光场（3070 nm），实现对目标场景的全光学时间门控。这一过程将原本不可逆的运动模糊转化为可解码的结构化信号，不仅规避了对中红外光场的直接高速调制需求，还使成像系统的有效时间分辨率由相机读出帧率转而由泵浦调制速率主导，从而显著拓展系统的时间频率响应。同时，该方法支持从二值到灰度的连续编码，在充分发挥硅基探测器高灵敏度与低噪声优势的基础上，结合反演算法实现高频空间信息的稳定恢复，最终重建出清晰的高速运动目标。
图 4：非线性结构门控的中红外运动去模糊实验结果
实验结果表明，该系统实现了最高 50 kHz 的非线性结构门控速率，可高保真恢复时间分辨率达 20 μs 的中红外瞬态图像，验证了其在高速运动去模糊中的有效性。尤其在光子匮乏的低照度条件下，相较于短曝光成像因光子通量不足而导致的信噪比快速劣化，该方法通过在扩展积分时间内进行时间编码，实现了时间分辨率与光子预算的有效解耦。这一机制在避免短曝光噪声代价的同时，仍能保持高探测灵敏度，并通过编码反演精准恢复被运动模糊掩盖的精细结构。
04 总结与展望
总体而言，该工作通过非线性调控实现了中红外光场的全光时间编码与上转换探测，构建了兼具高灵敏度与高时间分辨率的中红外瞬态成像通用框架。展望未来，结合更高重复频率激光源与先进重建算法，有望进一步拓展系统带宽并提升复杂动态场景下的成像能力。同时，该方法具备良好的波段可拓展性，可延伸至长波红外乃至太赫兹波段，为特殊波段瞬态过程观测提新路径。
近年来，研究团队在中红外计算成像方面开展了系列创新研究，先后发展了高帧频空间复用成像[Laser Photon. Rev. 19, 2500308 (2025)]、大景深非线性小孔成像[Optica 12, 1478 (2025)]、大视场边缘增强成像[ACS Photonics 13, 991 (2026)]以及高分辨单光子时域鬼成像[Laser Photon. Rev. 20, 2502587 (2026)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师范大学的资助。
课题组网站：http://iphoton.ecnu.edu.cn
论文链接: Mid-infrared motion deblurring via nonlinear structured gating
