近日，華東師范大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在中紅外光譜成像技術(shù)上取得突破，利用非線性上轉(zhuǎn)換成像與可調(diào)諧聲光濾波技術(shù)，提高了信息采集速度，實(shí)現(xiàn)了超靈敏、大視場(chǎng)、高幀率的中紅外高光譜視頻成像，為多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域如化學(xué)瞬態(tài)分析、生物成像、醫(yī)學(xué)影像及燃燒場(chǎng)診斷等提供了有力支持。

?

?

?

高光譜成像是將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的多維信息獲取手段，可在百個(gè)甚至更多譜段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行非侵入式成像，生成包含空間和光譜信息的圖譜數(shù)據(jù)立方。因此，高光譜圖像具有“圖譜合一”的重要特征，每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)一組光譜信息，所含的豐富信息能夠?qū)悠返幕瘜W(xué)成分、含量與分布進(jìn)行測(cè)定與表征。特別地，中紅外波段位于分子的指紋光譜區(qū)，包含許多官能團(tuán)的吸收峰，實(shí)現(xiàn)該波段的高光譜成像能夠?qū)Υ郎y(cè)目標(biāo)進(jìn)行無(wú)標(biāo)記精確識(shí)別。因此，中紅外高光譜成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于痕量分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)藥、材料科學(xué)等領(lǐng)域。

?

?

?

然而，兼具多譜段與大畫(huà)幅的紅外高光譜成像系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)局限于觀測(cè)靜態(tài)樣品或低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，難以用于快速目標(biāo)測(cè)量或動(dòng)態(tài)過(guò)程捕捉。一方面，高光譜成像所生成的圖譜數(shù)據(jù)提供了豐富的目標(biāo)信息，有助于準(zhǔn)確分析與識(shí)別樣品；另一方面，龐大的數(shù)據(jù)采集量極大限制了高光譜成像速率。例如，傳統(tǒng)擺掃式和推掃式高光譜成像系統(tǒng)主要借助光柵、棱鏡等器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)色散分光，在空間信息獲取上往往需要依賴點(diǎn)掃描或線掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)二維圖像覆蓋。

為了克服冗長(zhǎng)的機(jī)械掃描，全幅式光譜成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其采用可調(diào)諧窄帶光源（如光參量振蕩器、量子級(jí)聯(lián)激光器）或波長(zhǎng)可調(diào)濾波器（如聲光、液晶濾波器）進(jìn)行光譜掃描，有效提升了多像素圖像的采集效率。即便如此，中紅外高光譜成像速度仍很大程度上受限于該波段焦平面探測(cè)陣列的工作幀頻（尤其對(duì)于大面陣多像素相機(jī)），單色光譜圖像采集幀率的典型值為50 Hz @ 512×512像素。相應(yīng)地，采集百個(gè)波長(zhǎng)通道以上的高光譜成像往往需要數(shù)秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間，距離可實(shí)時(shí)觀測(cè)的視頻幀率還有量級(jí)上的差距。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、多波段、高幀頻的中紅外高光譜成像仍頗具挑戰(zhàn)，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速光譜掃描與高速圖像采集。

?

?

為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新結(jié)合非線性廣角成像技術(shù)與高速聲光濾波技術(shù)，能夠同時(shí)提升紅外圖像采集速率與紅外光譜切換速率，克服了傳統(tǒng)方案在圖譜信息獲取上的短板，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)百赫茲的三維圖譜刷新率，在同等譜段數(shù)與像素規(guī)模下，比此前記錄提升了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

具體地，研究人員采用特殊設(shè)計(jì)的啁啾極化鈮酸鋰晶體，實(shí)現(xiàn)寬波段非線性光學(xué)和頻，將超連續(xù)譜中紅外信號(hào)一次性轉(zhuǎn)換至可見(jiàn)光波段。該過(guò)程具有大視場(chǎng)空間映射和高保真度光譜轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，可在空間和光譜維度上保留完整的目標(biāo)圖譜信息。

為了實(shí)現(xiàn)高速率、高精度的波長(zhǎng)調(diào)控，研究人員采用聲光可調(diào)濾波技術(shù)，獲得了微秒級(jí)的波長(zhǎng)切換速度與納米級(jí)的窄帶濾波帶寬。濾波后的單色圖像由高性能硅基相機(jī)捕獲，規(guī)避了現(xiàn)有紅外焦平面探測(cè)陣列在靈敏度、像素?cái)?shù)、幀率等方面的不足，從而實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、多像素、高幀頻的紅外圖像采集。

?

?

實(shí)驗(yàn)中，所搭建的高光譜成像系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為2.4-4.1 μm，涵蓋多種CH/OH化學(xué)鍵的紅外伸縮與振動(dòng)吸收譜線，是有機(jī)物材料鑒別的重要譜段。為了展示高光譜成像在物質(zhì)鑒別與動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的應(yīng)用，研究人員選用了乙醇和苯兩種化學(xué)樣品，他們?cè)谌庋巯掠^察均為無(wú)色透明，而通過(guò)高光譜成像可測(cè)量得到迥異紅外特征光譜（圖4A），利用獨(dú)特的分子選擇性即可實(shí)現(xiàn)樣品成分的有效甄別。在高光譜三維數(shù)據(jù)采集中，單波長(zhǎng)大視場(chǎng)成像（近百萬(wàn)像素畫(huà)幅）的積分時(shí)間僅為100 μs，獲取100個(gè)譜段的圖譜立方數(shù)據(jù)則僅需10 ms（圖4B），從而實(shí)現(xiàn)100 Hz水平的大視場(chǎng)高光譜影像。與傳統(tǒng)機(jī)械式波長(zhǎng)調(diào)諧方式不同，聲光可調(diào)濾波器不受機(jī)械慣性限制，可對(duì)光譜進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的循環(huán)波長(zhǎng)掃描，為實(shí)時(shí)光譜視頻成像提供了可能。如圖4C-4E所示，可根據(jù)樣品吸收光譜特征，選取多幅單色灰度圖像進(jìn)行RGB填色合成，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品化學(xué)差異與濃度分布更直觀的可視化。

值得一提的是，所發(fā)展的上轉(zhuǎn)換光譜成像技術(shù)得益于非線性光學(xué)混頻過(guò)程中所需的相位匹配條件，使得不同波長(zhǎng)的單色上轉(zhuǎn)換圖像具有不同的空間縮放因子，從而形成波長(zhǎng)-空間耦合的獨(dú)特成像效果，結(jié)合特定信息編碼和計(jì)算成像算法，可以從單幅灰度圖像恢復(fù)出三維圖譜信息，進(jìn)而發(fā)展出單發(fā)快照式紅外高光譜成像，為實(shí)現(xiàn)超高速光譜攝影提供了有效途徑。

此外，該技術(shù)可以擴(kuò)展到長(zhǎng)波紅外或太赫茲波段，以滿足該譜段對(duì)于高速光譜成像的迫切需求，可為材料、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供具有吸引力的光譜影像分析手段。 近年來(lái)，曾和平教授與黃坤研究員課題組在中紅外多維成像領(lǐng)域開(kāi)展了系列創(chuàng)新研究，先后發(fā)展了中紅外非線性廣角成像 [Nature Comm. 13, 1077 (2022)]、中紅外單光子單像素成像[Nature Comm. 14, 1073 (2023)]、以及中紅外單光子三維成像 [Light Sci. Appl. 12, 144 (2023)]等。相關(guān)工作得到了科技部、基金委、上海市、重慶市與華東師大的資助。

?

成果：《Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate》

（——SUNSHINE）

?