01导读
华东师范大学曾和平教授、黄坤教授团队在中红外无透镜计算成像领域取得新进展。研究团队提出并实验验证了一种可编程非线性编码孔径成像方法，将非线性光场调控与计算成像相结合，通过可编程多孔编码和计算解码，有效缓解传统单孔成像中光通量与空间分辨率之间的固有权衡。该工作延续了团队此前中红外非线性小孔成像研究，进一步实现了从单孔直接成像向可编程多孔计算成像的拓展，为高灵敏、可编程的中红外无透镜计算成像提供了新的技术路径。相关研究成果以《Programmable nonlinear coded-aperture imaging in the mid-infrared》为题发表于Advanced Imaging。博士生李雅楠为论文第一作者，黄坤教授和曾和平教授为共同通讯作者，华东师范大学为第一完成单位。
图1：Advanced Imaging在线刊发研究团队最新研究成果
02研究背景
编码孔径成像通过“光学编码+计算解码”替代传统透镜直接成像。与单孔成像相比，多孔结构可使更多光子参与信息采集，并利用结构化编码保留目标空间信息，再通过计算方法完成图像重构，从而缓解光通量与空间分辨率之间的固有矛盾，同时具有结构紧凑、大景深和低畸变等无透镜成像优势。然而，将这一方法拓展至中红外并不容易。中红外包含丰富的分子“指纹”信息，在环境监测、无损检测、化学成像和生物医学等领域具有重要价值，但长期面临两方面限制：一是缺少高性能、可编程的中红外空间调制器，难以实现灵活而高保真的空间编码；二是传统中红外探测器受暗电流噪声、像素规模及制冷需求等限制，高灵敏成像仍具有挑战。
03创新研究
针对上述问题，研究团队提出了“非线性孔径编码+频率上转换探测”的新型计算成像架构（图2）。通过空间光调制器对近红外泵浦光进行结构化调控，并将其映射至非线性晶体，在晶体内部构造可编程非线性编码孔径。携带目标信息的中红外光直接传播至晶体，与结构化泵浦光发生和频作用，在同一非线性过程中同步完成空间信息编码与频率上转换探测，再通过计算解码恢复目标图像。由此，非线性频率转换同时承担空间编码与灵敏探测的双重功能，为中红外无透镜计算成像提供了新的技术架构。
图2：可编程中红外非线性编码孔径成像装置图
在此基础上，研究团队将传统单孔直接成像拓展至可编程多孔计算成像（图3）。通过调控泵浦光场，可灵活设计孔径尺寸、空间排布和强度分布；多孔结构使更多信号光子参与信息采集，形成的混叠编码图像经 Richardson–Lucy 迭代反卷积后，可有效恢复目标“ECNU”。实验表明，该方法能够将高通量光学编码与计算图像重构相结合，从而缓解单孔成像中光通量与空间分辨率之间的固有权衡。
图3：可编程多孔编码及计算重构结果
进一步地，研究团队引入具有近 δ 函数自相关特性的 Golay-7 编码阵列，对非线性编码孔径进行优化（图4）。在相同光通量和最大空间频率范围下，Golay 编码具有更集中的自相关主峰和更弱的旁瓣，可有效抑制重构伪影与噪声放大，提高收敛速度和重构稳定性。实验中，仅经过 10 次迭代即可清晰恢复目标，30 次迭代后的结构相似度达到 SSIM = 0.761，优于其他编码结构。更重要的是，在 0.4 fW/pixel 的弱光条件下，Golay 编码结合计算解码仍能恢复目标精细结构，而单孔成像已出现明显的对比度和细节损失，体现了非线性编码孔径在光子利用效率、弱光灵敏度与空间信息恢复方面的优势。
图4：非线性编码孔径优化设计
04总结与展望
综上，本研究实现了可编程中红外非线性编码孔径成像，将非线性空间编码、频率上转换探测与计算解码有机融合，实现了灵活可调的多孔空间编码、高通量信息采集与高保真图像重构，有效缓解了单孔成像中光通量与空间分辨率之间的固有权衡，并兼具大景深、低畸变和系统紧凑等无透镜成像优势。未来，该方法有望通过非线性材料与相位匹配设计拓展至更长红外乃至太赫兹波段，并进一步融合光谱、偏振、相位等多维信息，推动可编程非线性计算成像向更宽波段和更高维信息获取发展。
近年来，研究团队在红外计算成像领域开展了系列创新研究，先后发展了中红外单光子单像素成像[Nature Comm. 14, 1073 (2023)]、高帧频中红外高光谱成像 [Nature Comm. 15, 1811 (2024)]、中红外非线性小孔成像[Optica 12, 1478 (2025)]，以及快照中红外单光子光谱成像[Nature Comm. 17, 7517 (2026)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、海南省、重庆市与华东师范大学的大力支持。
课题组网站：http://iphoton.ecnu.edu.cn
网址：Researching | Programmable nonlinear coded-aperture imaging in the mid-infrared
