電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）近日，華東師大官網(wǎng)信息顯示，該校精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾和平教授團(tuán)隊(duì)在紅外靈敏成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了基于啁啾極化晶體的上轉(zhuǎn)換廣角成像新方法，實(shí)現(xiàn)了寬視場、超靈敏、高幀頻的中紅外光子成像，可為分子光譜、天文觀測、環(huán)境遙感及生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域提供有力支撐。

當(dāng)前，隨著技術(shù)發(fā)展越來越成熟，紅外技術(shù)在軍民市場都有著廣闊的應(yīng)用前景。比如紅外測溫儀，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國紅外線測溫儀市場規(guī)模從2015年的94.90億元增長至2019年的220.80億元，年均復(fù)合增長率達(dá)到23.50%。預(yù)計(jì)到2022年，中國紅外測溫儀市場規(guī)模將達(dá)到445億元，相較于2019年進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了規(guī)模翻倍。

在實(shí)際應(yīng)用中，紅外測溫儀一次一般只能測量一個(gè)點(diǎn)，受光學(xué)系統(tǒng)的限制，其光學(xué)分辨率較小，可以看作是只有一個(gè)像素的熱像儀，顯示目標(biāo)上單個(gè)點(diǎn)的溫度測量值。因此，在知道確切問題的近距離測溫中，紅外測溫儀是高性價(jià)比之選。

然而，隨著測量需求的復(fù)雜度逐漸提升，在距離和測試面積上都大大增加，測量目標(biāo)往往需要系統(tǒng)測量才能夠得出結(jié)論。比如，在工業(yè)設(shè)備檢測中，發(fā)熱常常是設(shè)備損壞或者功能故障的早期征兆，也是進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，而紅外測溫儀要做設(shè)備監(jiān)測效率很低。那么，由光學(xué)器件和探測器組成的紅外成像儀便成為更好的方案，絕大多數(shù)紅外成像儀的距離系數(shù)比（D:S比）都高于紅外測溫儀，具有安全、直觀、高效、防止漏檢4大核心優(yōu)勢。疫情期間，公共場所測體溫的設(shè)備很多都開始換成紅外成像儀。

從定義上講，波長從0.9微米到1000微米電磁輻射都可稱之為紅外輻射，不過3微米到5微米的中紅外波段以及8微米到12微米的熱紅外波段在大氣透過率較高。前者被應(yīng)用于天文觀測、環(huán)境遙感等項(xiàng)目中；后者由于能夠獲得完整的熱排放量的被動(dòng)影像，適用于熱成像。此外還有波長在 0.75微米到1.4 微米的近紅外線，由于對(duì)影像的增強(qiáng)非常敏銳，適用于夜視設(shè)備應(yīng)用。

因此，曾和平教授團(tuán)隊(duì)的研究成果并不適用于我們熟悉的測溫用的紅外成像儀，而是更偏向于科研應(yīng)用這個(gè)方向。通過這層層遞進(jìn)的關(guān)系，就很清晰曾和平教授團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)突破的意義所在。一旦該技術(shù)能夠產(chǎn)品化，單看非軍用市場，天文觀測、環(huán)境遙感等會(huì)受到助益。

不過，無論是何種紅外成像，設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)是大體相同的。如上所述，光學(xué)組件和探測器是紅外成像設(shè)備最重要的兩個(gè)組成部分。在光學(xué)組件方面，曾和平教授團(tuán)隊(duì)采用高性能硅基CMOS相機(jī)實(shí)現(xiàn)了超高速中紅外成像，實(shí)時(shí)拍攝了高速旋轉(zhuǎn)的斬波片，其外沿線速度高達(dá)30m/s。得益于成像系統(tǒng)的高靈敏度，實(shí)驗(yàn)中相機(jī)曝光時(shí)間可低至微秒量級(jí)，中紅外成像幀頻達(dá)到了216 000幀/秒，相比于現(xiàn)有中紅外相機(jī)提高了2-3個(gè)量級(jí)。

為了提升信號(hào)接收角，做到寬視場成像，曾和平教授團(tuán)隊(duì)提出了基于啁啾準(zhǔn)相位匹配的上轉(zhuǎn)換廣角成像技術(shù)，利用啁啾極化鈮酸鋰晶體（CPLN）實(shí)現(xiàn)了不同角度入射信號(hào)的自適應(yīng)相位匹配，獲得的接收角較傳統(tǒng)方案提升了至少1個(gè)量級(jí)。

圖源：華師大官網(wǎng)

目前，曾和平教授團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究進(jìn)展都發(fā)布在曾和平課題組官網(wǎng)上，該網(wǎng)站于2020年11月27日正式上線，記載了該團(tuán)隊(duì)于2018年7月至今對(duì)外公開的研究項(xiàng)目。能夠看到，研究基本圍繞光子和成像。

2021年8月，曾和平教授團(tuán)隊(duì)對(duì)外發(fā)布了一份關(guān)于中紅外單光子邊緣增強(qiáng)成像的研究進(jìn)展。紅外成像普遍存在噪聲大、圖像對(duì)比度低、信噪比低、邊緣不清晰、視覺效果模糊、灰度范圍窄的現(xiàn)象。中紅外單光子邊緣增強(qiáng)成像正是為了解決邊緣不清晰問題。

圖源：曾和平課題組官網(wǎng)

該團(tuán)隊(duì)利用高靈敏硅基電子倍增CCD (EMCCD)相機(jī)，在0.5光子/脈沖的極低照度下實(shí)現(xiàn)了單光子水平的中紅外二維成像。進(jìn)一步地，通過在非線性混頻過程中引入攜帶渦旋相位的泵浦光場，可以將螺旋相位高保真加載到中紅外傅里葉空間頻譜成分上，從而實(shí)現(xiàn)超靈敏中紅外邊緣增強(qiáng)成像。

發(fā)展至今，紅外成像技術(shù)已經(jīng)從第一代的長波紅外，到現(xiàn)在的雙波紅外和多波紅外，并開始在芯片級(jí)去實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。不過，單一紅外技術(shù)的進(jìn)步，比如曾和平教授團(tuán)隊(duì)的中紅外新進(jìn)展，是整體系統(tǒng)提升的基礎(chǔ)。