全光边缘增强成像是突出物体轮廓与微细结构的重要手段，尤其适用于弱吸收与透明样品的高对比度成像，已在无标记病理成像、机器视觉与工业质检等领域备受关注。然而，现有相关研究大多集中于可见与近红外波段。在兼具化学选择性与抗散射优势的中红外波段，实现高灵敏、宽视场的边缘增强成像，长期受限于中红外探测器暗电流噪声大、系统易受环境热背景干扰等瓶颈。近年来，频率上转换成像凭借其高灵敏探测能力与泵浦光学调控优势，为中红外全光边缘检测提供了一条可行路径。

    然而，现有上转换边缘增强成像系统仍难以同时兼顾大视场与高空间分辨率。这一限制主要源于频率转换过程的相位匹配条件：传统周期极化非线性晶体的有效接收视场角通常仅在 3°以内。同时，有限的转换角度限制了基于傅里叶频谱调控的图像处理功能自由度。另外，非线性晶体相较传统空间滤波器具有一定厚度，其轴向位置偏差会引发频谱滤波条件变化，进而影响边缘增强成像的保真度。

    为此，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、精密光谱科学与技术高等研究院曾和平教授与黄坤教授团队提出了一种宽视场中红外上转换边缘增强成像新方法，实现了高灵敏度、大视场与高分辨率兼备的中红外暗场成像。该方案在 4f 成像系统的傅里叶面引入涡旋泵浦光场，通过非线性参量相互作用对信号的空间频率分量进行全光空间频谱滤波，从而在单次曝光中直接获得边缘增强图像。为突破传统上转换成像的视场瓶颈，研究团队采用了啁啾极化结构的非线性晶体，通过沿光传播方向的极化周期连续变化，有效补偿不同入射角下的相位失配，大幅拓展了系统的视场接收范围。同时，通过对非线性晶体轴向位置的精确调控，系统可在明场成像与暗场成像之间平滑切换，为在同一平台内兼顾整体形貌获取与局部结构强化提供了灵活手段。最终，该系统在 25 mm 直径视场内实现了 79 μm 的空间分辨率，对应空间带宽积达 7.9×10⁴，约为此前报道纪录的 3 倍。

    为了系统评估该方法在低频背景抑制与纯相位物体可视化方面的性能优势，研究人员设计了两类典型场景。一方面，针对螺旋相位板等典型相位器件，边缘增强成像能够将相位突变线与相位梯度区域清晰“描边”，实现对纯相位结构的直观可视化；另一方面，在曼陀罗横切组织与蚯蚓切片等生物样品成像中，即使在低照明功率密度条件下，该方法仍显著提升了组织界面、轮廓与微细形态的辨识度，为无标记、低光毒的中红外生物医学成像与诊断提供了有力工具。

    未来，通过采用合适的非线性介质，该技术还可拓展至长波红外甚至太赫兹波段，以满足该谱段对高灵敏与高分辨成像的迫切需求。同时，空间带宽积的提升使得更多光学图像处理功能成为可能，例如高阶微分成像、多模态空间复用成像等。成果发表于ACS Photonics，得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师大的共同资助。

图 (a) 宽视场中红外上转换边缘增强成像概念图; (b) 生物样品切片的明暗场成像效果图。

论文原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.5c02252