高光谱成像是将成像技术与光谱技术相结合的多维信息获取手段，可在百个甚至更多谱段对目标进行非侵入式成像，生成包含空间和光谱信息的图谱数据立方。因此，高光谱图像具有“图谱合一”的重要特征，所含的丰富信息能够对样品的化学成分、含量与分布进行表征。特别地，中红外波段位于分子的指纹光谱区，包含许多官能团的吸收峰，实现该波段的高光谱成像能够对待测目标进行无标记精确识别。因此，中红外高光谱成像技术已被广泛应用于环境监测、生物医药、材料科学等领域。      

然而，兼具多谱段与大画幅的红外高光谱成像系统长期以来局限于观测静态样品或低速运动场景，难以用于快速目标测量或动态过程捕捉。一方面，高光谱成像所生成的图谱数据提供了丰富的目标信息，有助于准确分析与识别样品；另一方面，庞大的数据采集量极大限制了高光谱成像速率。当前，实现大视场、多波段、高帧频的中红外高光谱成像技术仍颇具挑战，需要同时实现高速光谱扫描与高速图像采集，以获得更高的光谱与空间分辨率。

为此，曾和平教授团队创新结合非线性广角成像技术与高速声光滤波技术，能够同时提升红外图像采集速率与红外光谱切换速率，克服了传统方案在图谱信息获取上的短板，实现了高达百赫兹的三维图谱刷新率。在同等谱段数与像素规模下，成像速率比此前记录提升了至少两个数量级。具体地，研究人员采用宽波段非线性和频过程将超连续谱中红外信号高效转换至可见光波段，该过程具有大视场空间映射和高保真度光谱转换的特点。通过采用声光可调滤波技术，研究人员实现了上转换信号微秒级的波长切换速度与纳米级的窄带滤波带宽。滤波后的单色图像由高性能硅基相机捕获，规避了现有红外焦平面探测阵列在灵敏度、像素数、帧率等方面的不足，从而实现大视场、多像素、高帧频的红外图像采集。其中，单色图像的积分时间仅为100 μs，获取100个谱段的图谱立方数据则仅需10 ms，即实现了百赫兹图谱刷新率的大视场高光谱影像，可为化学瞬态过程分析、医学光谱实时影像及燃烧场快速诊断等应用提供有力支撑。

值得一提的是，所发展的上转换光谱成像技术得益于非线性过程中所需的相位匹配条件，使得不同波长的上转换图像具有不同的空间缩放因子，从而形成波长-空间耦合的成像效果，结合特定信息编码和计算成像方法，有望从单幅灰度图像中恢复得到三维图谱信息，进而发展出单发快照式红外高光谱成像。此外，该技术可以扩展到长波红外或太赫兹波段，以满足该谱段对于高速光谱成像的迫切需求，将为材料、化学、生物、医学等领域提供具有吸引力的光谱影像分析手段。

该项工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的共同支持，相关成果发表于Nature Communications 15, 1811 (2024)。

论文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46274-z

图 (a) 中红外高速高光谱成像原理示意图。(b) 高帧频中红外高光谱成像，图谱数据立方包含100个精细谱段，获取用时仅为10 ms。