華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾和平教授與黃坤研究員團(tuán)隊在中紅外光譜成像方面取得進(jìn)展，結(jié)合非線性上轉(zhuǎn)換成像與可調(diào)諧聲光濾波技術(shù)，有效提升了空間-波長三維圖譜信息的采集速度，實(shí)現(xiàn)了超靈敏、大視場、高幀率的中紅外高光譜視頻成像，可為化學(xué)瞬態(tài)過程分析、生物原位成像檢測、醫(yī)學(xué)實(shí)時光譜影像及燃燒場快速診斷等應(yīng)用提供有力支撐。相關(guān)成果以 Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate 為題于2024年2月28日在線發(fā)表于 Nature Communications。華東師范大學(xué)為論文的第一完成單位，博士生方迦南為論文第一作者，曾和平教授和黃坤研究員為共同通訊作者。
圖1：Nature Communications 刊發(fā)曾和平教授與黃坤研究員團(tuán)隊研究成果
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，可在百個甚至更多譜段對目標(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，每個像素都對應(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目標(biāo)進(jìn)行無標(biāo)記精確識別。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、生物醫(yī)藥、材料科學(xué)等領(lǐng)域。
圖2：中紅外高速高光譜成像原理概念圖
然而，兼具多譜段與大畫幅的紅外高光譜成像系統(tǒng)長期以來局限于觀測靜態(tài)樣品或低速運(yùn)動場景，難以用于快速目標(biāo)測量或動態(tài)過程捕捉。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)掃描或線掃描來實(shí)現(xiàn)二維圖像覆蓋。為了克服冗長的機(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、量子級聯(lián)激光器）或波長可調(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陣列的工作幀頻（尤其對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，采集百個波長通道以上的高光譜成像往往需要數(shù)秒甚至更長時間，距離可實(shí)時觀測的視頻幀率還有量級上的差距。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)大視場、多波段、高幀頻的中紅外高光譜成像仍頗具挑戰(zhàn)，需要同時實(shí)現(xiàn)高速光譜掃描與高速圖像采集。
圖3：中紅外高速高光譜成像裝置圖
為此，研究團(tuán)隊創(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數(shù)量級。具體地，研究人員采用特殊設(shè)計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)譜中紅外信號一次性轉(zhuǎn)換至可見光波段。該過程具有大視場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)，獲得了微秒級的波長切換速度與納米級的窄帶濾波帶寬。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)有紅外焦平面探測陣列在靈敏度、像素數(shù)、幀率等方面的不足，從而實(shí)現(xiàn)大視場、多像素、高幀頻的紅外圖像采集。
圖4：高幀頻中紅外高光譜視頻成像（A）實(shí)驗(yàn)測定的苯與乙醇紅外吸收光譜。（B）每個高光譜數(shù)據(jù)立方包含100個精細(xì)譜段，單色圖像拍攝時間僅需100 μs。(C-D) 選取不同的光譜通道，可以方便區(qū)分顯示不同物質(zhì)成分。（E）對兩種液體吸收峰對應(yīng)的單色圖進(jìn)行RGB色彩合成，可以清晰展示不同介質(zhì)擴(kuò)散與融合的動態(tài)過程。
實(shí)驗(yàn)中，所搭建的高光譜成像系統(tǒng)工作波長為2.4-4.1 μm，涵蓋多種CH/OH化學(xué)鍵的紅外伸縮與振動吸收譜線，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)鑒別與動態(tài)場景中的應(yīng)用，研究人員選用了乙醇和苯兩種化學(xué)樣品，他們在肉眼下觀察均為無色透明，而通過高光譜成像可測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，單波長大視場成像（近百萬像素畫幅）的積分時間僅為100 μs，獲取100個譜段的圖譜立方數(shù)據(jù)則僅需10 ms（圖4 B），從而實(shí)現(xiàn)100 Hz水平的大視場高光譜影像。與傳統(tǒng)機(jī)械式波長調(diào)諧方式不同，聲光可調(diào)濾波器不受機(jī)械慣性限制，可對光譜進(jìn)行快速動態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的循環(huán)波長掃描，為實(shí)時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)對樣品化學(xué)差異與濃度分布更直觀的可視化。圖5展示了兩種不同液態(tài)介質(zhì)擴(kuò)散與融合的動態(tài)過程。
圖5：乙醇與苯動態(tài)混合過程的實(shí)時可視化。兩種化學(xué)液體雖在外觀上均為無色透明，但其紅外吸收光譜卻顯著不同。通過對各自吸收峰（乙醇：3350 cm-1，苯：3050 cm-1）對應(yīng)的灰度圖像進(jìn)行人工色彩合成，可以清晰觀測到兩種液體的動態(tài)混合過程。
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)混頻過程中所需的相位匹配條件，使得不同波長的單色上轉(zhuǎn)換圖像具有不同的空間縮放因子，從而形成波長-空間耦合的獨(dú)特成像效果，結(jié)合特定信息編碼和計算成像算法，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)展到長波紅外或太赫茲波段，以滿足該譜段對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，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。
附：
論文鏈接：Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate
來源｜精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技處 編輯｜鄧安之 編審｜郭文君
