01导读
华东师范大学黄坤研究员与曾和平教授团队在高速中红外成像方面取得进展，提出了非线性空间复用的中红外高速成像新方法，有效突破了传统成像架构中帧率与像素数难以兼顾的技术瓶颈，在保持百万像素空间分辨率的同时，实现了成像帧率一个数量级的提升，展示了10 kHz帧频下中红外高保真视频成像，为燃烧诊断、爆炸过程监测、热传输分析等应用提供有力支撑。相关成果以《High-Speed Mid-Infrared Imaging via Nonlinear Multiplexed Detection》为题发表在Laser & Photonics Reviews（图一）。华东师范大学为论文的第一完成单位，博士研究生秦瑞阳为第一作者，黄坤研究员和曾和平教授为共同通讯作者。
图1：Laser & Photonics Reviews刊发华东师大研究团队的最新成果
中红外高速成像是实现运动目标追踪、瞬态物理过程解析以及复杂动力学系统研究的关键技术，广泛应用于燃烧诊断、材料加工和医学成像等领域。然而，受限于中红外探测器在像元规模、读出速度和探测灵敏度等方面的技术瓶颈，现有的大面阵中红外探测器难以兼顾高空间分辨率与高帧率，严重制约了其在快速变化或不可重复过程中的实时观测能力。因此，在保持高阵列规模的同时提升中红外成像帧频，已成为该领域亟待攻克的关键难题。
当前，高速成像技术主要集中在可见光/近红外波段，其核心制约因素包括两个方面：一是中红外波段缺乏具备高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件；二是长波段光场中高分辨率的动态调制手段尚不成熟，显著的衍射效应不可避免地降低了空间调控的精度与稳定性。近年来，频率上转换成像技术的兴起为突破上述瓶颈提供了可行之道。该技术通过非线性过程将中红外信号转换至可见光或近红外波段，从而借助高性能硅基探测器实现对红外光场的间接感知。然而，其成像帧率仍受到相机固有读出速率的限制，提升成像速度往往需以压缩有效像素数为代价。因此，实现兼顾时间分辨与空间分辨的中红外高速成像仍具挑战。
图 2：非线性空间复用的中红外高速成像概念图
03创新研究
为此，黄坤研究员与曾和平教授研究团队提出了非线性空间复用的中红外高速成像新方法（图3）。该方法兼具高帧率、大视场与高灵敏度的成像性能，解决了传统架构中成像帧率与有效像素数相互掣肘的难题，实现了百万像素下10 kHz高帧频中红外成像。具体而言，研究人员利用高速可编程数字微镜器件（DMD）构建了一系列具有特定空间周期与不同空间取向的结构泵浦图案，在非线性和频过程中同时实现空间编码与频率上转换，从而实现中红外光场的全光调控。借助泵浦图案在空间频率上的互异性及自然图像在频域中的低频稀疏性，不同时刻的图像信息在傅里叶域中可被有效投影至彼此分离的频谱区域，进而可在单次曝光中实现多帧动态场景的复用编码。在图像重构过程中，通过对复用图像进行二维傅里叶变换实现频域解耦，结合带通滤波提取目标通道频率分量，最终通过逆傅里叶变换即可逐帧还原瞬态图像序列。
图3：实验装置图
图4展示了非线性空间复用的中红外高速成像实验结果。实验中，研究人员将DMD调制频率设定为10 kHz，并同步控制相机以1 kHz帧频、1 ms曝光时间进行图像采集，从而在单次曝光周期内实现十帧瞬态图像的时频域复用。相比于无调制条件下获得的图像，该方法通过非线性结构编码与多通道复用探测，将时间演化信息映射为空间频移，显著抑制了运动模糊引起的轮廓信息丢失。频域分析结果表明，十组互不重叠的一阶谐波分量在傅里叶平面中清晰分布，充分验证了各复用通道间良好的频谱分离度。最终，结合频谱解调算法，成功还原出等效帧频达10 kHz的瞬态图像序列，在保持相机百万像素空间分辨率不变的前提下，实现了成像帧率一个数量级的提升。需指出的是，通过优化系统参数，如缩小滤波器带宽或扩大成像系统的数值孔径，有望提升复用通道数目，为实现更高帧频的中红外成像提供有效途径。
图 4：实验结果图
04总结与展望
本研究创新结合非线性频率转换与泵浦空间编码技术，首次在百万像素空间分辨率下，将中红外成像帧频提升至10 kHz量级，突破了传统成像中帧率与像素数难以兼顾的技术瓶颈。同时，该方案还具备连续流式采集能力，可支持高帧率、长时间的动态过程实时记录，为燃烧诊断、爆炸监测等领域中不可重复瞬态事件的高分辨成像提供了关键支撑。未来，该技术有望通过引入更高速的空间调制器件，或结合压缩感知测量方式与先进的深度学习重构算法，进一步提升成像帧率。同时，该方法具备良好的波段兼容性，亦可拓展至长波红外乃至太赫兹波段，以满足该谱段在高速、高分辨成像方面的迫切需求。
近年来，研究团队在中红外非线性测控与成像领域开展了系列创新研究，发展了中红外非线性傅里叶叠层成像[Optica 11, 1716 (2024)]、中红外高光谱视频成像 [Nat. Comm. 15, 1811 (2024)]、中红外单光子单像素成像 [Nat. Comm. 14, 1073 (2023)]等若干新方法与新技术。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共同资助。
论文链接：High-Speed Mid-Infrared Imaging via Nonlinear Multiplexed Detection
