华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤教授团队在中红外大景深成像领域取得突破。研究团队首次提出并实现了一种中红外非线性小孔成像新方法，利用超短脉冲激光在非线性晶体中构造“虚拟光学孔径”，将小孔成像这一起源于中国先贤墨子、已有两千多年历史的理念引入红外波段。该方法实现了大景深、宽视场、无畸变成像，有效克服了传统红外成像中透镜复杂、景深有限及灵敏度不足等难题。成果不仅体现了对基础科学问题的探索兴趣，也展现了面向机器视觉、工业检测和安防监控等应用的广阔潜力。相关研究成果以“Mid-infrared nonlinear pinhole imaging”为题，近日在线发表于国际光学顶级期刊Optica（见图1）。
该项工作引起国际学界广泛关注，并被美国光学学会作为研究热点报道，题为 “Researchers revive the pinhole camera for next-gen infrared imaging”（研究人员让“小孔相机”重焕生机，助力新一代红外成像）。报道指出，“该无透镜系统能够在低光照和远距离条件下获取清晰的中红外图像，为新一代夜视技术、工业检测和环境监测等应用开辟了新的可能性”。华东师范大学为论文第一完成单位，博士研究生李雅楠为第一作者，黄坤教授与曾和平教授为共同通讯作者。
图1：Optica在线刊发研究团队最新研究成果
小孔成像是一种古老而优雅的光学现象，最早可追溯至我国哲学家墨子在公元前四世纪的记载：“景到，在午有端，与景长。说在端”。这段话准确揭示了小孔成像的原理：光沿直线传播，穿过小孔的光束交叉后在另一侧形成倒立的像。小孔成像是最基础的无透镜成像方式，避免了透镜畸变，并具备无限景深和宽广视场等独特优势，在光学发展史上占有重要地位。从针孔相机到文艺复兴时期的艺术创作，再到现代课堂上的演示实验，小孔成像一直是光学启蒙的重要工具，也在难以制备透镜的波段（如X射线）中提供了简洁高效的成像方案。
然而，由于针孔的空间选择性会大幅限制进入光量，小孔成像通常需要依赖高灵敏度的探测器阵列，因此长期局限于可见光波段。同时，成像分辨率和光通量之间存在相互制约的关系，往往需要根据实际情况优化孔径大小，实现成像效果的综合权衡。若能突破这些限制，将小孔成像拓展到其他光谱范围，尤其是中红外等难以制造高质量透镜的波段，不仅可绕开复杂的光学设计与加工限制，还能兼具大景深、宽视场和低像差等优势，并可与计算成像结合，实现多模态调控和功能扩展，展现出重要的科研价值和广阔的应用前景。
图2：中红外非线性小孔成像概念图
为此，研究团队提出并实现了一种中红外非线性小孔成像新方案（图2）。该方案巧妙结合小孔成像原理与频率上转换技术，不仅充分利用上转换成像的高灵敏度优势，还避开了透镜组件带来的像差与视场局限，实现了兼具大景深、宽视场和低畸变的高性能中红外成像。其核心创新在于：通过在非线性晶体内引入泵浦光，形成一个可调的“光学针孔”，同时充当空间滤波器和上转换泵浦源。与传统物理小孔不同，这种光学孔径具备高度灵活性和精确可调性，能够通过调控泵浦光的空间能量分布来优化成像性能。相较于传统基于透镜的中红外上转换成像，所提出的方案具有更大的成像覆盖范围，实现了超过35厘米的景深和6厘米的视场。而且，得益于同步泵浦脉冲的超短时间门控，该系统实现了基于时间飞行法的反射式三维成像，能够在中红外极低照度下（约1.5光子/脉冲）获取精细的深度信息（见图3）。进一步地，研究人员还展示了基于三角测量法的透射式深度可分辨成像，即使在被动照明下也能快速恢复目标场景的三维深度信息，极大拓宽了其应用场景。
图3：反射式与透射式中红外三维成像
本研究首次将小孔成像原理与上转换探测技术相结合，成功实现了中红外非线性小孔成像，具备大景深、宽视场和高灵敏度等优势，并可适应主动或被动照明条件，为复杂环境下的中红外成像提供了新的解决方案。未来，该技术有望通过引入空间光调制器实现孔径的自适应动态调控，并采用多孔编码策略提升光通量、缩短弱光环境下的采集时间。此外，得益于非线性小孔架构的波段兼容性，该方法可拓展至远红外甚至太赫兹波段，为难以制备无像差透镜和需要大景深成像的应用场景提供重要支撑。
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]、中红外非线性傅里叶叠层成像[Optica 11, 1716 (2024)]、以及中红外空间频谱复用高速成像[Laser Photon. Rev. 19, 2500308 (2025)]、中红外单光子计算时域鬼成像 [Laser Photon. Rev. 19, 2402180 (2025)]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 nonlinear pinhole imaging
美国光学学会报道链接：Researchers revive the pinhole camera for next-gen infrared imaging | Optica
