華東師大研發新型中紅外針孔相機：基于古老技術突破，低光環境下實現長距高清成像

    上海，2025年9月18日——華東師范大學科研團隊近期取得重要技術突破：以公元前4世紀便有記載的針孔成像原理為基礎，成功研發出一款新型中紅外（MIR）相機。該相機無需鏡頭，即便在低光環境中，仍能實現長距離、大景深的清晰成像，為夜視觀測、工業檢測等領域的高靈敏度中紅外成像需求提供了全新解決方案。

    一、技術創新：古老原理與現代非線性光學的融合

    傳統中紅外成像系統多依賴鏡頭，常受限于景深狹窄、視野有限、光學畸變等問題。此次華東師大團隊跳出傳統框架，將古老的針孔成像原理與現代非線性光學技術結合，研發出“中紅外非線性針孔相機”，其核心創新點集中于三方面：

    1.無物理孔徑的光學針孔設計

    團隊未采用傳統物理針孔，而是以1.03微米波長的近紅外（NIR）激光為泵浦光，在具有啁啾周期結構的非線性晶體中“光學構建”針孔。該晶體支持5微米范圍內中紅外波段的寬帶相位匹配，不僅能對孔徑大小實現精準且靈活的時空控制，還可優化成像性能、拓寬視角。

    2.紅外可見光轉換與硅傳感器適配

    系統通過強激光在非線性晶體內形成的光學針孔，將中紅外光波進行譜線轉換，把紅外圖像轉化為傳統硅基相機傳感器可檢測的可見光圖像。這一設計規避了中紅外專用傳感器成本高、需冷卻的痛點，依托成熟的硅基器件降低了技術門檻。

    3.內置超快光學時間門

    系統采用超短同步激光脈沖，形成內置的“超快光學時間門”。在飛行時間成像中，該時間門可在窄時間窗口內抑制噪聲，使相機的檢測靈敏度達到“每脈沖約1.5個光子”，即便在光子數量極少的低光環境下，仍能實現高靈敏成像。

    二、性能突破：大景深、寬視場與高解析度兼具

    相較于傳統基于鏡頭的中紅外成像系統，這款非線性針孔相機在核心性能指標上實現顯著超越：

    超大景深與寬視場：系統景深超過35厘米，視場覆蓋范圍超6厘米。實驗中，團隊以0.2毫米孔徑對11厘米、15厘米、19厘米距離的目標成像，均在3.07微米波長下獲得清晰圖像；即便目標遠至35厘米，成像效果仍保持穩定。

    高精度3D成像能力：通過同步超快脈沖作為光學門，系統可實現微米級軸向精度的3D形狀重建。即便輸入光強降低以模擬極端低光環境，經相關去噪處理后，仍能生成高質量3D圖像。此外，團隊還開發了“雙快照深度成像”技術，無需復雜脈沖定時，即可在6厘米范圍內快速測量物體深度。

    寬帶光譜適配性：依托寬帶非線性上變頻器，系統的中紅外工作波長可擴展至35微米的寬光譜窗口，未來還可適配遠紅外、太赫茲等“難透鏡”波段——這些波段因傳統透鏡制造難度大、性能差，此前在成像領域應用受限。

    三、應用前景：從工業檢測到夜間自動駕駛，賦能多領域升級

    據團隊介紹，中紅外非線性針孔成像系統可廣泛應用于國民經濟與社會生活的多個關鍵領域，其核心價值體現在“降本增效”與“場景拓展”兩大維度：

    1.工業與交通領域：可用于工業過程控制、紅外機器視覺（如精密零件缺陷檢測），以及夜間自動駕駛的環境感知。相較于傳統紅外成像設備，該系統依托簡單光學器件與標準硅傳感器，有望大幅降低成本、提升便攜性與節能性，推動紅外技術在工業質量控制、夜間交通安全中的普及。

    2.環境與科研領域：可增強環境監測能力（如遠距離氣體成分分析），還可拓展至遠紅外、太赫茲等特殊光譜成像場景，為材料科學、天體物理等領域的基礎研究提供新工具。

    3.民生與安全領域：在被動照明條件下，系統的透射深度解析成像能力可快速重建場景，為夜間安防、應急救援等場景提供技術支撐。

    四、未來方向：從實驗室走向實用，持續突破技術瓶頸

    當前的技術驗證系統雖已展現出顯著優勢，但仍存在“依賴復雜笨重激光設備”的局限。對此，華東師大團隊明確了后續研發方向：

    一是推動系統“小型化”，依托新材料與集成光源技術，降低設備體積與部署難度；二是提升核心性能，包括提高轉換效率、優化動態控制（如根據場景重塑光學小孔）、延長中紅外寬波段工作時間；三是增強場景適配性，進一步提升系統的速度與靈敏度，使其能適應更多復雜成像環境。

    團隊負責人曾和平教授指出：“中紅外波段蘊含著豐富的有用信號，如熱輻射、分子指紋，但傳統相機常受限于噪聲、成本或冷卻需求，且鏡頭系統景深有限。我們研發的無鏡頭、高靈敏度方案，不僅解決了這些痛點，更為中紅外成像技術的實用化打開了新空間。”

    該研究成果已發表于國際權威期刊《光學》（Optics），為全球中紅外成像技術的發展提供了“中國方案”，有望在未來推動相關產業的技術升級與業態創新。