华东师大研发新型中红外针孔相机：基于古老技术突破，低光环境下实现长距高清成像

    上海，2025年9月18日——华东师范大学科研团队近期取得重要技术突破：以公元前4世纪便有记载的针孔成像原理为基础，成功研发出一款新型中红外（MIR）相机。该相机无需镜头，即便在低光环境中，仍能实现长距离、大景深的清晰成像，为夜视观测、工业检测等领域的高灵敏度中红外成像需求提供了全新解决方案。

    一、技术创新：古老原理与现代非线性光学的融合

    传统中红外成像系统多依赖镜头，常受限于景深狭窄、视野有限、光学畸变等问题。此次华东师大团队跳出传统框架，将古老的针孔成像原理与现代非线性光学技术结合，研发出“中红外非线性针孔相机”，其核心创新点集中于三方面：

    1.无物理孔径的光学针孔设计

    团队未采用传统物理针孔，而是以1.03微米波长的近红外（NIR）激光为泵浦光，在具有啁啾周期结构的非线性晶体中“光学构建”针孔。该晶体支持5微米范围内中红外波段的宽带相位匹配，不仅能对孔径大小实现精准且灵活的时空控制，还可优化成像性能、拓宽视角。

    2.红外可见光转换与硅传感器适配

    系统通过强激光在非线性晶体内形成的光学针孔，将中红外光波进行谱线转换，把红外图像转化为传统硅基相机传感器可检测的可见光图像。这一设计规避了中红外专用传感器成本高、需冷却的痛点，依托成熟的硅基器件降低了技术门槛。

    3.内置超快光学时间门

    系统采用超短同步激光脉冲，形成内置的“超快光学时间门”。在飞行时间成像中，该时间门可在窄时间窗口内抑制噪声，使相机的检测灵敏度达到“每脉冲约1.5个光子”，即便在光子数量极少的低光环境下，仍能实现高灵敏成像。

    二、性能突破：大景深、宽视场与高解析度兼具

    相较于传统基于镜头的中红外成像系统，这款非线性针孔相机在核心性能指标上实现显著超越：

    超大景深与宽视场：系统景深超过35厘米，视场覆盖范围超6厘米。实验中，团队以0.2毫米孔径对11厘米、15厘米、19厘米距离的目标成像，均在3.07微米波长下获得清晰图像；即便目标远至35厘米，成像效果仍保持稳定。

    高精度3D成像能力：通过同步超快脉冲作为光学门，系统可实现微米级轴向精度的3D形状重建。即便输入光强降低以模拟极端低光环境，经相关去噪处理后，仍能生成高质量3D图像。此外，团队还开发了“双快照深度成像”技术，无需复杂脉冲定时，即可在6厘米范围内快速测量物体深度。

    宽带光谱适配性：依托宽带非线性上变频器，系统的中红外工作波长可扩展至35微米的宽光谱窗口，未来还可适配远红外、太赫兹等“难透镜”波段——这些波段因传统透镜制造难度大、性能差，此前在成像领域应用受限。

    三、应用前景：从工业检测到夜间自动驾驶，赋能多领域升级

    据团队介绍，中红外非线性针孔成像系统可广泛应用于国民经济与社会生活的多个关键领域，其核心价值体现在“降本增效”与“场景拓展”两大维度：

    1.工业与交通领域：可用于工业过程控制、红外机器视觉（如精密零件缺陷检测），以及夜间自动驾驶的环境感知。相较于传统红外成像设备，该系统依托简单光学器件与标准硅传感器，有望大幅降低成本、提升便携性与节能性，推动红外技术在工业质量控制、夜间交通安全中的普及。

    2.环境与科研领域：可增强环境监测能力（如远距离气体成分分析），还可拓展至远红外、太赫兹等特殊光谱成像场景，为材料科学、天体物理等领域的基础研究提供新工具。

    3.民生与安全领域：在被动照明条件下，系统的透射深度解析成像能力可快速重建场景，为夜间安防、应急救援等场景提供技术支撑。

    四、未来方向：从实验室走向实用，持续突破技术瓶颈

    当前的技术验证系统虽已展现出显著优势，但仍存在“依赖复杂笨重激光设备”的局限。对此，华东师大团队明确了后续研发方向：

    一是推动系统“小型化”，依托新材料与集成光源技术，降低设备体积与部署难度；二是提升核心性能，包括提高转换效率、优化动态控制（如根据场景重塑光学小孔）、延长中红外宽波段工作时间；三是增强场景适配性，进一步提升系统的速度与灵敏度，使其能适应更多复杂成像环境。

    团队负责人曾和平教授指出：“中红外波段蕴含着丰富的有用信号，如热辐射、分子指纹，但传统相机常受限于噪声、成本或冷却需求，且镜头系统景深有限。我们研发的无镜头、高灵敏度方案，不仅解决了这些痛点，更为中红外成像技术的实用化打开了新空间。”

    该研究成果已发表于国际权威期刊《光学》（Optics），为全球中红外成像技术的发展提供了“中国方案”，有望在未来推动相关产业的技术升级与业态创新。