飞秒电光梳实现纳米级精度的时域立体成像新方法

《Nature Communications》：High-precision time-domain stereoscopic imaging with a femtosecond electro-optic comb

本刊推荐：为解决传统立体成像在深度精度和测量范围间的矛盾，研究团队提出时域立体成像(TDS)新范式。该技术通过飞秒电光梳(EO comb)和平衡光学采样，在米级范围内实现<100纳米深度精度，支持4700万空间点的毫秒级动态测量，为表面计量学和精密制造提供了全新解决方案。

　　

在三维光学成像领域，科学家们长期面临着一个难以调和的矛盾：要么实现大测量范围但精度有限，要么获得纳米级精度却只能局限于毫米级工作距离。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重制约了从工业检测到生物医学等众多领域的应用发展。传统立体视觉技术模仿人眼视差原理，虽然能够实现远程三维成像，但其深度分辨能力受限于光学衍射极限；而干涉测量等精密方法虽然能达到纳米精度，却因有限的相干长度而无法适用于大尺度场景。这种技术鸿沟使得高精度、大范围、快速动态的三维测量成为光学成像领域亟待突破的瓶颈。

正是在这样的背景下，来自华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的研究团队在《Nature Communications》上提出了一种革命性的解决方案——时域立体成像(TDS)。这项研究巧妙地将时空对偶性原理应用于三维成像，通过两个时间偏移的光学门控相机捕捉飞秒激光脉冲的时域视差信号，实现了精度与范围的同时突破。该技术的核心创新在于将空间域的立体视觉概念转化到时间域，利用先进的时间测量技术来突破空间分辨的物理限制。

研究团队采用了几项关键技术手段：首先是飞秒电光光梳(EO comb)的合成与调控，这种无腔式光梳具备90-300 MHz的大范围快速调频能力，脉冲宽度小于500飞秒；其次是平衡互相关(BCC)成像系统，通过II类周期性极化KTP晶体(PPKTP)实现双向和频生成，有效抑制共模噪声；另外还建立了光学采样与时间测量的精确对应关系，通过线性扫频和零交叉点检测实现绝对距离测量。

基本概念和原理

时域立体成像的核心原理是通过两个时间门控相机捕获同一激光脉冲从目标反射的信号，利用脉冲到达时间差来解析深度信息。与传统立体视觉的空间视差不同，TDS测量的是时间维度的"视差"——两个光学采样门之间的时间偏移导致的强度差异。当飞行时间与门控中心对齐时，平衡信号ΔI达到零交叉点，通过精确测定重复频率f_r的变化，可以计算出目标距离D=c/(2n_r·Δf_r)，其中c为真空光速，n_r为空气折射率。

实验装置

研究团队构建的实验系统以1550纳米连续激光器为种子源，通过强度调制器和色散管理非线性光纤产生飞秒电光梳。成像部分采用平衡式4f光学系统，关键部件是1×2×4 mm³的II类PPKTP晶体，该晶体通过走离效应产生时间偏移的采样门。参考光路和探测光路在晶体中发生双向和频转换，最终由两个同步CMOS相机捕获775纳米的上转换图像。

远程三维成像和深度测量

在超过1.3米的距离上，研究人员成功对四块阶梯排列的镜面目标进行了三维成像。通过尺度不变特征变换(SIFT)算法匹配两相机中的对应像素对，获取平衡信号曲线并确定零交叉点频率。实验实现了4.67×10⁷个像素对的同步距离测量，轴向分辨率达到33微米，通过减小扫频步长甚至可提升至54纳米。

轴向精度和成像深度

精度评估实验显示，在50次单次测量中，TDS系统的2σ标准偏差在±10微米以内，与连续波干涉仪的基准数据偏差小于2微米。经过500次平均后，测距精度进一步提高到±400纳米，准确度达到亚100纳米水平。艾伦偏差分析表明，该方法在165帧/秒的采样率下可实现约80纳米的测量精度。

高速三维测量

研究还展示了TDS技术的实时测量能力。通过将光梳重复频率固定在零交叉点，利用平衡信号的强度-位移线性关系，实现了132赫兹刷新率的并行位移和速度测量。实验成功追踪了两个相对运动速度约5毫米/秒的镜面目标，瞬时速度测量精度显著。

这项研究的成功实施标志着三维光学成像技术迈入了新的发展阶段。时域立体成像方法巧妙地将时空对偶性原理转化为实际测量能力，在保持飞秒时间尺度的测量精度同时，突破了传统方法在测量范围和速度方面的限制。其74分贝的动态范围性能明显优于现有各类三维成像系统，为工业检测、机械动力学研究和精密制造等领域提供了前所未有的测量工具。

特别值得关注的是，该技术采用的腔无关电光梳方案相比传统锁模激光器具有更低的复杂度和成本，且对环境扰动具有更好的鲁棒性。随着铌酸锂光子芯片等新兴技术的发展，这种时域立体成像方法有望进一步小型化和集成化，为更广泛的应用场景开启新的可能性。从半导体晶圆缺陷检测到微机械器件动态特性分析，从激光加工精确定位到生物医学成像，这项技术都展现出巨大的应用潜力。研究团队也指出，通过将工作波长扩展到中红外波段，还可以进一步拓展在材料科学和生物医学领域的应用前景。