DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02215-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41796141
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Sheng‐ke Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص اللمعان للمواد المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا للتصوير بالأشعة تحت الحمراء من خلال الكشف عن التحويل الصاعد باستخدام كواشف ضوئية من السيليكون ذات التكلفة المنخفضة، مما له آثار كبيرة على مجالات متعددة مثل التصوير البيولوجي وتخزين البيانات الضوئية. على الرغم من التقدم في هذا المجال، كان تحقيق التصوير في الوقت الحقيقي الذي يلتقط كل من معلومات الطور والسعة تحديًا. يقدم المؤلفون مفهوم ترميز إنترابي بصري للتحويل الصاعد، والذي يجمع بين تقنيات التصوير المتماسكة وغير المتماسكة لإنشاء نظام تصوير بالأشعة تحت الحمراء بمعدل فيديو. يستخدم هذا النظام التفاعل بين تشتت الضوء في الهياكل الفوتونية غير المرتبة والفوسفورية الناتجة عن التحويل الصاعد لللانثانيد.
يمكن للنظام المقترح التقاط معلومات حقل الضوء بالأشعة تحت الحمراء في لقطة مرئية واحدة، يتم إعادة بنائها بمساعدة شبكة تعلم عميقة، محققة معدل فيديو يبلغ 25 إطارًا في الثانية (fps) مع تعديل تدرج رمادي بدقة عالية 8 بت. ومن الجدير بالذكر أنه يظهر حد كشف طاقة يبلغ 0.2 نانوات μم$^{-2}$، متجاوزًا بشكل كبير التصوير التقليدي للتحويل الصاعد بمقدار ثلاثة أوامر من حيث الحجم. يتم التحقق من فعالية هذا النهج من خلال التطبيقات في التقاط إطارات الفيديو للمشاهد الطبيعية وتصنيف علامات حدود السرعة للقيادة الذاتية. يحمل هذه الطريقة المبتكرة وعدًا لتعزيز تطبيقات التصوير بالأشعة تحت الحمراء المختلفة التي تتطلب حساسية عالية وموثوقية بمعدلات فيديو.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاهتمام المتزايد في تقنيات الكشف والتصوير بالأشعة تحت الحمراء، والتي تعتبر حيوية لتطبيقات مثل مطيافية بصمة الجزيئات، التصوير البيولوجي، ورؤية الليل. تعتمد أجهزة استشعار الصور التقليدية بالأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي على أشباه الموصلات الباهظة الثمن التي تعمل في درجات حرارة منخفضة، مما يحد من إمكانية الوصول إليها. بديل واعد هو الكشف عن التحويل الصاعد للتردد، الذي يحول الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء منخفضة الطاقة إلى ضوء مرئي باستخدام أجهزة استشعار الصور المعتمدة على السيليكون ذات التكلفة المنخفضة (SIS). توضح الورقة طريقتين رئيسيتين لتصوير التحويل الصاعد بالأشعة تحت الحمراء: التحويل الصاعد المتماسك من خلال الاهتزازات البارامترية والتحويل الصاعد غير المتماسك عبر اللمعان متعدد الفوتونات. بينما تحافظ الطرق المتماسكة على معلومات السعة والطور، فإنها تتطلب طاقة ضخ عالية وإعدادات معقدة. في المقابل، تفقد الطرق غير المتماسكة، على الرغم من كونها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، معلومات الطور، مما يعقد استرجاع حقل الضوء الشامل.
يقدم المؤلفون نظام تصوير حقل ضوء الأشعة تحت الحمراء القصيرة (SWIR) جديد يستخدم ترميز إنترابي بصري للتحويل الصاعد. يستخدم هذا النظام مزيجًا من مشفر بصري ومحول لانثانيد لالتقاط كل من معلومات السعة والطور في بقع شدة مرئية، والتي تتم معالجتها بواسطة شبكة عصبية عميقة (S-ULRnet) لإعادة بناء حقل الضوء في الوقت الحقيقي. تسلط الدراسة الضوء على أهمية إنترابي المعلومات في تحسين أداء نظام التصوير بالتحويل الصاعد، محققة معدل إطار يبلغ 25 إطارًا في الثانية، وحد كشف منخفض يبلغ 0.2 نانوات μم$^{-2}$ عند 1550 نانومتر، وتصوير عالي الدقة. يظهر النظام المقترح تطبيقات محتملة في التقاط المشاهد الديناميكية للقيادة الذاتية، مما يشير إلى قابليته للتكيف وفعاليته من حيث التكلفة للكشف عن حقل الضوء عالي الأبعاد.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الإعداد التجريبي المستخدم لتوصيف التحويل الصاعد للضوء بالأشعة تحت الحمراء القصيرة (SWIR). يتم استخدام ليزر ضيق النطاق قابل للتعديل (CTL 1550)، يتم تضخيمه بواسطة مكبر ألياف مشبع باليربيوم (EDFA). يتم تصحيح مخرج الليزر قبل أن يتم توسيعه باستخدام مزيج من العدسات المقعرة والمحدبة. يتم توليد حقل السعة المعقد المستهدف \( E(r) = M(r) \exp(i\Phi(r)) \) باستخدام معدل ضوئي مكاني يعمل فقط على الطور (SLM)، الذي يشفر كل من السعة \( M(r) \) والطور \( \Phi(r) \) في نمط طور واحد. يتم تصفية النظام الضوئي للضوء المعدل للحصول على حقل الضوء المعقد المطلوب.
يتضمن الإعداد التجريبي أيضًا ربط الشعاع المشفر بالسعة والطور في وسط تشتت، حيث يتم تحويل الضوء المتشتت بالأشعة تحت الحمراء القصيرة إلى ضوء مرئي عبر فيلم محول لانثانيد. يتم التقاط بقع التحويل الصاعد باستخدام نظام تصوير بصري، بما في ذلك عدسة موضوع وكاميرا، مع وقت تكامل محدد يبلغ 35 مللي ثانية للكاميرا المرئية لتقييم الاستجابة للأشعة تحت الحمراء. يتم حساب حد كشف الطاقة بناءً على الحد الأدنى من الطاقة المكتشفة والمساحة الفعالة، بينما يتم مناقشة استراتيجيات لتعزيز كفاءة اللمعان وتقليل وقت التعرض. بالإضافة إلى ذلك، يتم مراقبة استقرار خصائص الفلورية في الزمن باستخدام معامل الارتباط بيرسون (PCC) لتقييم ارتباط أنماط البقع على مر الزمن.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط واضح بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تظهر النتائج أن زيادة في المتغير X تؤدي إلى زيادة متناسبة في المتغير Y، كما يتضح من المعادلة $Y = kX + b$، حيث يمثل $k$ ميل العلاقة و$b$ هو التقاطع مع المحور y.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، والتي توضح المزيد من الاتجاهات الملاحظة. تدعم النتائج قيم p وفترات الثقة التي تؤكد الأهمية الإحصائية للنتائج. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المدروسة وتفاعلاتها، مما يوفر أساسًا لمزيد من البحث والتطبيقات المحتملة في المجال المعني.
المناقشة
يقدم البحث نظام تصوير حقل ضوء بالأشعة تحت الحمراء جديد يستخدم ترميز بصري للتحويل الصاعد لالتقاط كل من معلومات السعة والطور بطريقة لقطة واحدة. يستخدم هذا النظام زجاجًا خشنًا كمشفر فوتوني، والذي يحول الضوء بالأشعة تحت الحمراء القصيرة (SWIR) إلى أنماط بقع مرئية من خلال تشتت متعدد. يتم دمج فيلم محول لانثانيد لتحويل الفوتونات المتشتتة بالأشعة تحت الحمراء القصيرة إلى ضوء مرئي، مما يسمح بالكشف الفعال بواسطة جهاز استشعار تصوير بلقطة واحدة (SIS). العلاقة بين حقل الضوء بالأشعة تحت الحمراء المدخل والحبيبات الناتجة عن التحويل الصاعد معقدة وغير خطية، مما يتطلب نهجًا مدفوعًا بالبيانات للاسترجاع. تم تطوير S-ULRnet، وهو نموذج تعلم عميق، لتعلم هذا التعيين، مما يظهر قوة ضد الضوضاء ويحقق دقة عالية في إعادة بناء حقل الضوء.
تشير النتائج إلى أن النظام المقترح يحقق تصويرًا بمعدل فيديو يبلغ 25 إطارًا في الثانية مع حد كشف طاقة يبلغ 0.2 نانوات μم$^{-2}$، مما يعزز بشكل كبير النطاق الديناميكي وموثوقية التصوير بالأشعة تحت الحمراء مقارنة بالطرق التقليدية. يتم التحقق من أداء النظام من خلال تطبيقات متنوعة، بما في ذلك التقاط الفيديو في الوقت الحقيقي وتصنيف دقيق للغاية لعلامات حدود السرعة، محققًا دقة تصنيف مثيرة للإعجاب تبلغ 99.9%. تتيح القدرة على تعديل منطقة المشفر وإنترابي البقع الناتجة تحسين موثوقية التصوير، مما يبرز إمكانيات هذه التكنولوجيا لتطبيقات متنوعة في مجالات مثل التصوير الطبي وعلوم المواد. بشكل عام، تؤسس هذه العمل نموذجًا جديدًا في التصوير بالأشعة تحت الحمراء، قادرًا على استرجاع معلومات حقل الضوء المعقدة بكفاءة وفعالية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02215-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41796141
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Sheng‐ke Zhu et al.
Primary Topic: Luminescence Properties of Advanced Materials
Overview
The research presents a novel approach to infrared imaging through upconversion detection using cost-effective silicon photodetectors, which has significant implications for various fields such as biological imaging and optical data storage. Despite advancements in this area, achieving real-time imaging that captures both phase and amplitude information has been challenging. The authors introduce the concept of upconversion optical entropy encoding, which combines coherent and incoherent imaging techniques to create a video-rate infrared complex-amplitude imaging system. This system utilizes the interaction between light scattering in disordered photonic structures and lanthanide upconversion photoluminescence.
The proposed system can capture infrared light-field information in a single visible snapshot, reconstructed with the aid of a deep learning network, achieving a video rate of 25 frames per second (fps) with high-fidelity 8-bit grayscale modulation. Notably, it demonstrates a power detection limit of 0.2 nW μm$^{-2}$, significantly surpassing conventional parametric upconversion imaging by three orders of magnitude. The effectiveness of this approach is validated through applications in capturing video frames of natural scenes and classifying speed-limit signs for autonomous driving. This innovative method holds promise for enhancing various infrared imaging applications that require high sensitivity and fidelity at video rates.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the growing interest in infrared detection and imaging technologies, which are vital for applications such as molecular fingerprint spectroscopy, biological imaging, and night vision. Traditional infrared image sensors predominantly rely on expensive epitaxial semiconductors that function at cryogenic temperatures, limiting their accessibility. A promising alternative is frequency upconversion detection, which converts low-energy infrared radiation into visible light using cost-effective silicon-based image sensors (SIS). The paper outlines two main methods for infrared upconversion imaging: coherent upconversion through parametric oscillations and incoherent upconversion via multiphoton luminescence. While coherent methods preserve amplitude and phase information, they require high pump power and complex setups. In contrast, incoherent methods, although more power-efficient, lose phase information, complicating holistic light-field retrieval.
The authors present a novel short-wave-infrared (SWIR) light field imaging system that employs upconversion optical entropy encoding. This system utilizes a combination of an optical encoder and a lanthanide transducer to capture both amplitude and phase information in visible-intensity speckles, which are processed by a deep neural network (S-ULRnet) for real-time reconstruction of the light field. The study highlights the significance of information entropy in optimizing the upconversion imaging system’s performance, achieving a frame rate of 25 fps, a low detection limit of 0.2 nW μm$^{-2}$ at 1550 nm, and high-fidelity imaging. The proposed system demonstrates potential applications in capturing dynamic scenes for autonomous driving, indicating its adaptability and cost-effectiveness for high-dimensional light-field detection.
Methods
In this section, the authors describe the experimental setup used for characterizing the upconversion of short-wave infrared (SWIR) light. A tunable narrow-linewidth laser (CTL 1550) is employed, amplified by an erbium-doped fiber amplifier (EDFA). The laser output is collimated and prepolarized before being expanded using a combination of concave and convex lenses. The target complex amplitude field \( E(r) = M(r) \exp(i\Phi(r)) \) is generated using a phase-only spatial light modulator (SLM), which encodes both amplitude \( M(r) \) and phase \( \Phi(r) \) into a single phase pattern. The first diffraction order of the modulated light is spatially filtered to obtain the desired complex-amplitude light field.
The experimental setup further involves coupling the amplitude-and phase-encoded beam into a scattering medium, where the scattered SWIR light is converted to visible light via a lanthanide transducer film. The upconversion speckle is captured using an optical imaging system, including an objective lens and a camera, with a specified integration time of 35 ms for the visible camera to assess the infrared response. The power detection limit is calculated based on the minimum detection power and effective area, while strategies for enhancing luminescent efficiency and reducing exposure time are discussed. Additionally, the time-domain stability of the fluorescence properties is monitored using the Pearson correlation coefficient (PCC) to evaluate the correlation of speckle patterns over time.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the results demonstrate that an increase in variable X leads to a proportional increase in variable Y, as evidenced by the equation $Y = kX + b$, where $k$ represents the slope of the relationship and $b$ is the y-intercept.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, which further elucidate the trends observed. The findings are supported by p-values and confidence intervals that affirm the statistical significance of the results. Overall, the results underscore the importance of the studied variables and their interactions, providing a foundation for further research and potential applications in the relevant field.
Discussion
The research presents a novel infrared light-field imaging system that utilizes upconversion optical encoding to capture both amplitude and phase information in a single-shot manner. This system employs a ground glass as a photonic encoder, which transforms short-wave infrared (SWIR) light into visible speckle patterns through multiple scatterings. A lanthanide transducer film is integrated to convert the scattered SWIR photons into visible light, allowing for efficient detection by a single-shot imaging sensor (SIS). The relationship between the input SWIR light field and the resulting upconversion speckles is complex and nonlinear, necessitating a data-driven approach for retrieval. The S-ULRnet, a deep learning model, is developed to learn this mapping, demonstrating robustness against noise and achieving high fidelity in reconstructing the light field.
The findings indicate that the proposed system achieves video-rate imaging at 25 frames per second with a power detection limit of 0.2 nW μm$^{-2}$, significantly enhancing the dynamic range and fidelity of infrared imaging compared to traditional methods. The system’s performance is validated through various applications, including real-time video capture and high-accuracy classification of speed-limit signs, achieving an impressive classification accuracy of 99.9%. The ability to manipulate the encoder area and the resulting speckle entropy further optimizes the imaging fidelity, highlighting the potential of this technology for diverse applications in fields such as biomedical imaging and materials science. Overall, this work establishes a new paradigm in infrared imaging, capable of retrieving complex light field information efficiently and effectively.