国际首次实现！中国科学技术大学：10 μm 长波红外上转换成像

10 μm长波红外（8–14 μm）是红外成像、量子精密测量的重要工作波段。其覆盖室温物体黑体辐射峰值波段，兼具大气透射窗口优势，在热成像探测、非接触测温、环境遥感、灾害预警、分子光谱识别等领域具备不可替代的应用价值。

中国科学技术大学研究团队针对 10 μm 长波红外非相干热辐射成像难题开展攻关，国际首次实现该波段非相干照明条件下的高分辨率上转换成像，突破传统长波红外探测技术瓶颈，相关成果发表于国际权威期刊《Physical Review Applied》2025 年第 24 卷。

主要创新成果介绍

传统制冷型长波红外探测器存在成本高、系统复杂等问题，上转换成像可将红外信号转换至可见光波段，是重要的替代方案。目前长波红外上转换成像主要在激光等相干照明条件下实现高分辨成像，而非相干热辐射条件下的高分辨成像仍缺乏系统性研究，难以支撑被动红外探测应用需求。

针对上述技术瓶颈，研究团队围绕 10 μm 波段长波红外非相干热辐射上转换成像开展系统研究，完成成像技术、理论模型与评价方法的三重创新：

图1：实验装置示意图。

技术突破：国际首次实现 10 μm 长波红外非相干热辐射目标高分辨率上转换成像，突破相干成像的技术局限，实验最小可分辨线宽达 198.4 μm，分辨率接近衍射极限，填补领域空白。

理论创新：建立适配非相干上转换成像的景深与像散解析模型，理论与实验结果高度契合，解决了传统模型无法定量分析成像质量的问题。
 

方法创新：针对高斯泵浦光束，重新定义 0.57 倍峰值强度为有效孔径边界，修正了传统 1/e 强度定义的误差，更贴合实际光场分布，提升系统分辨率评估与调控精度。

图2：首次实现 10 μm 非相干热辐射高分辨成像，最小线宽 198.4 μm，使用鑫图Dhyana 95 V2 相机作为核心探测器。

Dhyana 95 V2 相机应用优势解析

10 μm 长波红外非相干上转换成像存在诸多技术难点：上转换信号极弱、转换效率低，非相干光源匹配难度大；高分辨成像所需大数值孔径光学系统易产生像散、景深不足等问题，对成像探测器综合性能的匹配度要求极高。研究团队通过严格选型，最终选定鑫图 Dhyana 95 V2 作为实验核心成像装置。

① 超宽谱弱光响应，适配微弱上转换信号：

Dhyana 95 V2 采用背照式sCMOS结构，具备 200 – 1100  nm 宽光谱高量子效率，对 970 nm 附近上转换近红外信号响应灵敏，可高效捕捉微弱上转换光信号。

② 超低噪声高动态性能，保障定量测量精度：

1.6 e⁻ 超低读出噪声搭配 11 μm 大像元、100 ke⁻ 高满阱容量，大幅提升弱光成像信噪比，保障光强分布、条纹对比度等关键信息的精准定量测量。

③ 大面阵宽视场，支撑高精度成像研究：

31.9 mm 大面阵感光芯片可匹配 4f 标准光学系统的大视场成像需求，支撑分辨率、景深、像散等关键成像特性的实验验证与定量分析。

参考文献：Han, Z.-Q.-Z., Wang, X.-H., Li, J.-P., Liu, B.-W., Zhou, Z.-H., Zhang, H., Li, Y.-H., Zhou, Z.-Y., Shi, B.-S. High-resolution up-conversion imaging in the 10-μm band under incoherent illumination. arXiv:2505.24367 [physics.optics], 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.24367

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