01导读
近日，华东师范大学海南研究院海洋精密光学仪器研发中心曾和平教授与闫明研究员团队在三维成像领域取得进展。研究团队提出了一种新型的时域立体成像（TDS）技术。该技术基于时空对偶性原理，结合飞秒电光梳和非线性光学采样，成功实现了长距离、大动态范围的高精度实时三维成像测量，为表面计量学、机械动力学和精密制造等应用提供了一种通用工具。
研究成果以“High-precision time-domain stereoscopic imaging with a femtosecond electro-optic comb”为题，于2025年7月24日发表于Nature Communications。
图1：Nature Communications刊发曾和平教授与闫明研究员团队
研究成果
02研究背景
三维成像技术在自动驾驶、工业检测、精密制造和医学影像等领域具有关键应用，核心目标是实现高精度的深度测量和快速动态响应。然而，现有技术面临精度、范围和速度之间的平衡挑战。第一类技术，如立体成像、飞行时间（ToF）相机和激光雷达，适用于大范围测量，但精度通常限于毫米或厘米级，难以应对复杂场景。第二类技术，如显微成像和干涉成像，能够实现纳米级精度，但仅限于短距离，且通常需要复杂的机械扫描。
为应对这一挑战，研究团队提出时域立体成像（TDS）技术，通过两台时域偏移的摄像头精确捕捉激光脉冲的时间差异，TDS避免了空间视差的限制，实现了更高的空间分辨率。结合飞秒电光梳合成和非线性光学采样，TDS在长距离、大动态范围下实现了亚100纳米的深度精度，并具备毫秒级动态测量能力，提升了成像精度和速度。这一技术为高精度、实时三维成像提供了理想解决方案，并推动了精密测量和工业检测领域的发展。
03研究创新点
1.时域立体成像与时空对偶性应用
时空对偶性作为本研究的理论基础，揭示了空间与时间在成像过程中的对偶关系。通过这一理论，TDS技术实现了从空间视差到时间差异的转变。在传统的立体成像中，空间视差被用来计算深度，而在TDS中，采用了两台时域偏移的摄像头，测量的是激光脉冲反射的时间差。这一方法利用了时间域中的微小差异，能够有效地提高深度测量的精度，实现了在低对比度和无纹理环境中的高精度测量。
图2:时域立体成像技术概念图
2.飞秒电光梳合成技术与非线性光学采样结合的高精度深度测量
TDS技术采用飞秒电光梳与非线性光学采样技术相结合，精确控制激光脉冲的时间和频率。通过电光梳的频率调制，研究人员能够在超高精度下同步激光脉冲与时间门，确保时间差的精确测量。这一技术能够在长距离和大动态范围内保持极高的深度测量精度，达到纳米级精度。此外，采用周期性极化PPKTP晶体进行非线性光学采样，结合平衡交叉相关技术，有效抑制了光电噪声和共模噪声，进一步提高了深度测量的稳定性和准确性。
图3:时域立体成像的实验装置与表征
3.大范围与高精度三维成像能力
TDS技术成功解决了长距离、大动态范围的高精度三维成像难题，能够在大范围内实现亚纳米级的深度测量。这一创新使得TDS技术在工业检测、精密制造和环境建模等领域具有广泛应用，特别是在需要高精度和高速度的实时三维成像任务中，如自动驾驶、智能制造和复杂环境监测等领域。
图4:时域立体成像测量精度和成像深度的评估图
4.高速动态测量能力
TDS技术不仅具备高精度的深度测量，还能够在动态场景中实现毫秒级的实时测量。通过优化实验装置，TDS技术可以对数百万个空间点进行快速精确测量，极大提升了动态三维成像的速度。这使得TDS能够应对高速运动物体的测量需求，广泛应用于自动驾驶、机器人、机械动态分析等领域。
图5:时域立体成像高速位移和速度测量结果图
04总结与展望
时域立体成像（TDS）技术通过引入时空对偶性的概念，结合飞秒电光梳合成技术与非线性光学采样，TDS技术不仅在亚100纳米级别的深度测量上取得了进展，还能够在长距离和大动态范围的场景中进行高精度的实时成像。随着技术的进一步发展，TDS将在表面计量、机械动态分析、自动驾驶等领域中展现出巨大的应用潜力。
曾和平教授与闫明研究员团队长期致力高分辨分子指纹光谱与精密测量的研究，先后发展了双梳石英增强光声光谱[Photoacoustics 28, 100403 (2022)]、混合双梳光源的超高速相干抗斯托克斯拉曼光谱[ACS Photonics 10, 2964-2971 (2023)]、双梳光机光谱[Nature Comm. 14, 5037 (2023)]、以及宽带上变频中红外时间拉伸光谱[Laser Photon. Rev. 18, 2300630 (2024)]等若干新方法与新技术。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、海南省与华东师大的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62228-5
