CN104730800A - 一种光学图像增强方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学图像增强方法和装置，包括：光学图像增强方法，包括：对目标物成像，得到图像信号光；利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点；通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强；将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。本发明将光学图像逐点分割为一系列像素单元，再利用非线性光纤束实现图像信号传输与增强。相较于现有技术中的单根非线性光纤的信号增强，具有更广泛的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学图像技术领域，尤其涉及一种光学图像增强方法和装置。
背景技术
常规的光纤已被广泛应用于图像传输领域。例如在医学及工业领域中使用广泛的内窥镜，就是采用柔软光纤传像束达到进行图像传输的目的。传像束是将多根一定长度的光纤有规则地集合成束而达到能传递图像的纤维光学元件，每根光纤都有良好的光学隔离效果，其独立传光面不受邻近其它光纤的影响，但就一般情况而言，其主要用于传输图像而没有光学增益。现有的光学信号增强技术包括：掺杂离子光纤放大器（如掺铒的EDFA）、激光放大器、半导体光放大器（SOA）、受激拉曼散射光放大器（SRS）以及光参量放大器（OPA）等，其中，受激拉曼散射光放大器（SRS）以及光参量放大器（OPA）可以实现较高的光学增益，在生物、医学及遥感领域具有广阔的应用前景。
图像增强可以等效于图像各像素点信号的同时增强，利用块状非线性晶体的二阶非线性效应χ（2），可通过OPA实现图像增强。基于晶体的非线性效应如三阶非线性效应χ（3），如SRS等，也可以实现光学图像的增强。但块状晶体由于长度的限制，面临一系列的困难，以块状晶体OPA为例，晶体越长，图像增益越大；但随着晶体长度的增加，常规OPA器件的接收角度变小，会引起图像分辨率的恶化。简言之，就是光学图像的增益与分辨率不可兼顾。并且，要实现光学图像的增强，需要采用峰值功率较高的脉冲激光，一般是皮秒或飞秒激光，但这样一来系统体积、能耗也会相应较高，同时还将面临脉冲激光的同步问题。此外，由于块状晶体的增益需要严格控制相位匹配条件，如晶体的温度以及角度等，现有OPA光学图像增强技术的实用化难度较高。而随着光纤通信技术的发展，基于非线性光纤的光信号增强应用逐渐广泛，如光纤参量放大（FOPA），实际上是利用三阶非线性χ（3）的一种四波混频过程，通过强光泵浦作用下的非线性相互作用，信号光获得增益同时产生和信号光共轭的闲频光。为了得到尽可能好的增益特性，除采用强泵浦光之外，还可以采用非线性系数高的光纤。如近些年发展起来的一种色散小而非线性系数高的高非线性光纤（HNLF）就很适合用于光学信号放大。
但由于非线性光纤芯径的限制，现有的非线性光纤主要应用于信号的传输与增强领域，集中于如何在提升信号增益的同时兼顾信号带宽的问题，以满足波分复用的带宽要求，而对于非线性光纤传递图像并进行光学增强的研究，至今未见相关报道和应用。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明提供一种光学图像增强方法和装置，以解决现有技术中传像光纤束与单根非线性光纤均无法进行图像的光学增强的技术问题。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种光学图像增强方法，包括：
对目标物成像，得到图像信号光；
利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点；通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，使它们满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强；
将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。
进一步地，
在所述对目标物成像之前还包括：利用信号光源对目标物进行主动照明；
所述信号光源为：谱线宽度小于1nm的窄线宽激光；或，谱线宽度为1-100nm的激光；或，谱线宽度大于100nm的宽谱激光；所述光源在时域内为连续波或脉冲分布；
所述对目标物成像包括：将目标物产生的图像信号，利用透射式成像；或，利用反射式成像；或，利用透射和反射的组合方式成像；和/或，利用线扫描转镜实现更大视场范围成像。
进一步地，
所述泵浦激光源在时域内为连续波或脉冲分布；
所述泵浦激光源为单个泵浦激光源或两个及两个以上泵浦激光源；
所述利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光包括：控制泵浦激光的时序，对所述图像信号光进行距离选通，实现泵浦光和图像信号光的时间同步。
进一步地，
所述非线性光纤传像束采用层叠式或酸溶式形成，采用光参量放大或受激拉曼散射非线性效应，输入与输出端光纤束逐点一一对应；
所述非线性光纤传像束中光纤为标准单模光纤、色散位移光纤、色散补偿光纤、色散平坦光纤、高非线性光纤中的一种。
进一步地，
所述将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像包括：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，将分离出的泵浦光进行反射或收集，分离出的信号光或闲频光作为平面图像输出成像，并进行接收和可视化。
另一方面，本发明还提供一种光学图像增强装置，包括：成像单元、耦合增强单元和输出单元，各单元顺序相连，其中：
成像单元，用于对目标物成像，得到图像信号光，输出至耦合增强单元；
耦合增强单元，用于利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点；通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，使它们满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强；
输出单元，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。
进一步地，
所述系统还包括：信号光照明模块，用于利用光源对目标物进行主动照明，包括信号光源、信号光整形镜和信号光发射镜；所述信号光源为：谱线宽度小于1nm的窄线宽激光；或，谱线宽度为1-100nm的激光；或，谱线宽度大于100nm的宽谱激光；所述信号光源在时域内为连续波或脉冲分布；
所述成像单元包括：
输入成像镜头，包括：成像透镜，用于将目标物产生的图像信号利用透射式成像；或，反射镜，用于利用反射式成像；或，成像透镜和反射镜的任意组合；和/或，线扫描转镜，用于利用扫描转镜实现更大视场范围成像。
进一步地，
所述耦合增强单元包括：
泵浦激光模块，用于利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，包括泵浦激光源、泵浦激光整形镜、用于将泵浦光传输至输入耦合模块的泵浦激光发射镜、偏振态控制器以及时序控制器；所述泵浦激光源在时域内为连续波或脉冲分布；所述泵浦激光源为单个泵浦激光源或两个及两个以上泵浦激光源；所述时序控制器，用于通过控制泵浦激光的时序，对所述图像信号光进行距离选通，实现泵浦光和图像信号光的时间同步；
所述耦合增强单元还包括：
输入耦合模块，用于将泵浦激光与所述图像信号光实现耦合，然后输入非线性光纤传像束输入模块；
非线性光纤传像束输入模块，用于将耦合后的输入信号对应各个像素点分布投射。
进一步地，
所述耦合增强单元还包括：非线性光纤传像束，用于实现图像信号光的各像素点并行增强；
所述非线性光纤传像束采用层叠式或酸溶式形成，利用光参量放大或受激拉曼散射非线性效应实现图像信号增强，输入与输出端光纤束逐点一一对应；
所述非线性光纤传像束中光纤为标准单模光纤、色散位移光纤、色散补偿光纤、色散平坦光纤、高非线性光纤中的一种。
进一步地，所述输出单元包括：
非线性光纤传像束输出模块，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出，得到信号光和闲频光，及剩余的泵浦光；
图像信号选择模块，用于将经各像素点并行增强之后的信号光和闲频光进行分离，得到信号光或闲频光；
泵浦光收集模块，包括光束收集器或反射镜，用于将分离出的泵浦光进行反射或收集；
输出成像镜头，用于将输出的平面图像成像；
带通滤波模块，用于对成像后的平面图像进行带通滤波；
图像接收模块，用于对带通滤波后的平面图像进行接收和可视化。
（三）有益效果
可见，在本发明提出的一种光学图像增强方法和装置中，可以将光学图像对应各像素点进行分布投射，逐点分割，再利用非线性光纤传像束实现图像信号的传输，同时对各点图像进行信号增强。相较于现有技术中的单根光纤的信号增强技术，具有更广泛的实用价值。
另外，本发明采用非线性光纤传像束代替了现有技术中的块状非线性晶体进行多点图像增强，分辨率由非线性光纤直径与排布方式决定，同时由于光纤束的作用距离可以达到公里级，降低了对泵浦激光的能量要求，从而解决了图像信号增益与横向分辨率不可兼得的问题。本发明实施例结合了柔软光纤传像束的传像特性与非线性光纤具有的光学增益特性，可以实现微弱图像信号的光学增强，以及对微弱图像信号的探测和远距离传输，提高了系统的实用性，降低了系统的整体复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中光学图像增强方法的基本流程示意图；
图2是本发明实施例中光学图像增强装置的基本结构示意图；
图3是本发明实施例中光学图像增强装置的一个优选实施例结构示意图；
图4是本发明实施例中光学图像增强装置的一个优选实施例结构示意图；
图5是本发明实施例1的光学图像增强方法的流程示意图；
图6是本发明实施例1的光学图像增强装置的结构示意图；
图7是本发明实施例2的光学图像增强方法的流程示意图；
图8是本发明实施例2的光学图像增强装置的结构示意图；
图9是本发明实施例3的光学图像增强方法的流程示意图；
图10是本发明实施例3的光学图像增强装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例首先提出一种光学图像增强方法，参见图1，包括：
步骤1a：对目标物成像，得到图像信号光。
步骤1b：利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点；通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强。
步骤1c：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。
可见，在本发明实施例提出的一种光学图像增强方法中，可以将光学图像对应各像素点进行分布投射，逐点分割，再利用非线性光纤传像束实现图像信号的传输，并针对各点图像同时进行信号增强。相较于现有技术中的单根光纤的信号增强技术，具有更广泛的实用价值。
另外，本发明实施例采用非线性光纤传像束代替了现有技术中的块状非线性晶体进行多点图像增强，分辨率由非线性光纤直径与排布方式决定，同时由于光纤束的作用距离可以达到公里级，降低了对泵浦激光的能量要求，从而解决了图像信号增益与横向分辨率不可兼得的问题。本发明实施例结合了柔软光纤传像束的传像特性与非线性光纤具有的光学增益特性，可以实现微弱图像信号的光学增强，以及对微弱图像信号的探测和远距离传输，提高了系统的实用性，降低了系统的整体复杂度。
在本发明实施例的上述方法中，为了更好地实现微弱图像信号的探测，优选地，在对目标物成像之前还可以包括：利用信号光源对目标物进行主动照明，以采集目标物的图像信号。在本发明的一个实施例中，对目标物进行主动照明的信号光源可以包括：窄线宽激光(谱线宽度<1nm)；或谱线宽度较宽的激光(谱线宽度为1-100nm)；或宽谱激光(谱线宽度>100nm)，光源在时域内可以为连续波或脉冲分布。
在本发明的另一个实施例中，优选地，可以采用多种方式将目标物产生的图像信号成像，包括：将目标物产生的图像信号，利用透射式成像；或利用反射式成像；或利用透射和反射的组合方式成像；并且同时可以利用线扫描转镜实现更大视场范围成像。
在本发明的一个实施例中，优选地，用于增强图像信号光的泵浦激光源在时域内可以为连续波或脉冲分布；并且可以为单个泵浦激光源或两个及两个以上泵浦激光源。在本发明实施例中利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光可以包括：控制泵浦激光的时序，对所述图像信号光进行距离选通和实现泵浦光和图像信号光的时间同步。
在本发明的另一个实施例中，优选地，非线性光纤传像束可以采用层叠式或酸溶式形成，其信号放大机制可以采用四波混频（Four-wavemixing，FWM）效应光参量放大（FOPA）或受激拉曼散射（SRS）；输入与输出端光纤束需满足逐点一一对应，以实现图像中各像素点信号光的传输和增强。非线性光纤传像束中所使用的光纤可以是标准单模光纤（SMF），色散位移光纤（DSF），色散补偿光纤（DCF），色散平坦光纤（DFF），高非线性光纤（HNLF）或者其他具备非线性增益的光纤。
在本发明的一个实施例中，优选地，经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像可以包括：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，将分离出的泵浦光进行反射或收集，分离出的信号光或闲频光作为平面图像输出成像，并进行接收和可视化。
本发明一个实施例中，还提出了一种光学图像增强装置，参见图2，该装置包括：
成像单元u1，用于对目标物成像，得到图像信号光，输出至耦合增强单元u2；
耦合增强单元u2，用于利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点，通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强；
输出单元u3，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。
在本发明实施例的上述装置中，为了更好地实现微弱图像信号的探测，优选地，系统还可以包括：信号光照明模块1，如图3所示，用于利用信号光源对目标物0进行主动照明，包括信号光源101、信号光整形镜102和信号光发射镜103，如图4所示。在本发明的一个实施例中，信号光源101的频域分布可以为窄线宽激光(谱线宽度<1nm)；或谱线宽度较宽的激光(谱线宽度为1-100nm)；或宽谱激光光源(谱线宽度>100nm)在时域内可以为连续波或脉冲分布；在时域内可以为连续波或脉冲分布。在本发明的另一个实施例中，优选地，成像单元u1可以包括：输入成像镜头2，可以包括：成像透镜201，用于将目标物产生的图像信号利用透射式成像；或反射镜202，用于反射式成像；或成像透镜和反射镜的任意组合。并且还可以包括：线扫描转镜203，用于利用扫描转镜实现更大视场范围成像。
在本发明的一个实施例中，优选地，耦合增强单元u2可以包括：泵浦激光模块4，用于利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，包括泵浦激光源401、泵浦激光整形镜402、泵浦激光发射镜403、偏振态控制器404和时序控制器405。其中泵浦激光源401在时域内可以为连续波或脉冲分布，可以为单个泵浦激光源或两个及两个以上泵浦激光源。时序控制器405，用于通过控制泵浦激光的时序，对所述图像信号光进行距离选通和实现泵浦光和图像信号光的时间同步。
耦合增强单元u2还可以包括：输入耦合模块3，用于将泵浦激光与图像信号光耦合后同步输入非线性光纤传像束输入模块5；非线性光纤传像束输入模块5，用于将耦合后的输入信号对应各个像素点分布投射。
另外，耦合增强单元u2还包括：非线性光纤传像束6，用于实现图像信号光的各像素点并行增强。优选地，非线性光纤传像束6可以采用层叠式或酸溶式形成，其信号放大机制可以采用四波混频（Four-wave mixing，FWM）效应光参量放大（FOPA）或受激拉曼散射（SRS）；输入与输出端光纤束需满足逐点一一对应，以实现图像中各像素点信号光的传输和增强。非线性光纤传像束6中所使用的光纤可以是标准单模光纤（SMF），色散位移光纤（DSF），色散补偿光纤（DCF），色散平坦光纤（DFF），高非线性光纤（HNLF）或者其他具备非线性增益的光纤。
在本发明的一个实施例中，为了经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，将分离出的泵浦光进行反射或收集，分离出的信号光或闲频光作为平面图像输出成像，优选地，输出单元u3可以包括：非线性光纤传像束输出模块7，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出，得到信号光、闲频光和剩余的泵浦光；图像信号选择模块8，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，得到信号光或闲频光；泵浦光收集模块9，包括光束收集器或反射镜，用于将分离出的泵浦光进行反射或收集；输出成像镜头10，用于将输出的平面图像成像；带通滤波模块11，用于对成像后的平面图像进行带通滤波；图像接收模块12，用于对带通滤波后的平面图像进行接收和可视化。
需要说明的是，上述图3、图4所示的光学图像增强装置的各个实施例的结构可以进行任意组合使用。比如，信号光照明模块1中只包括信号光源101和信号光发射镜103，而不包括信号光整形镜102；再如，光学图像增强装置中不包括带通滤波模块11，而包括图4所示的其他所有结构。
下面针对不同的成像方式、泵浦激光产生模式和非线性光纤传像束放大机制等，分别举不同的实施例进行说明本发明实施例的具体实现过程。
实施例1：
在该实施例1中，对目标物进行透射式成像，利用1455nm的泵浦光和1520nm的信号光，基于SRS采用DCF进行图像增强。参见图5、图6。
步骤5a：利用信号光源对目标物进行主动照明。
在本发明实施例中，采用脉冲激光器101产生波长为1520nm的脉冲激光作为信号光，所产生的信号光的脉宽为100ns，频率为10Hz。所产生的信号光经由信号光整形镜102和发射镜103对目标物0进行主动照明。
步骤5b：利用透射式对目标物产生的图像信号成像。
本步骤中，信号光透过目标物0，携带目标图像信息，经输入成像镜头透镜201成像。
步骤5c：利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光。
本步骤中，通过脉冲激光器401产生波长为1455nm的脉冲激光作为泵浦光，所产生的泵浦光的脉宽为100ns，频率为10Hz，平均功率为280mW。所产生的泵浦光经由泵浦激光整形镜402以及泵浦激光发射镜403将泵浦光传输至输入耦合模块301，并通过偏振态控制器404对泵浦光进行偏振态控制，使得泵浦光与信号光的偏振态相同，以使增益最大。通过隔离器406，使得泵浦光单向传输。
步骤5d：将泵浦激光与图像信号光实现耦合。
本步骤中，将泵浦光和图像信号光通过时序控制器405通过控制泵浦光的时序，对图像信号光进行距离选通和实现泵浦光和图像信号光的时间同步，然后到达输入耦合模块301(镀有1455nm高反及1520nm增透膜的耦合镜)，使得泵浦光与图像信号光实现耦合。
步骤5e：输入非线性光纤传像束实现图像信号光的各像素点并行增强。
本步骤中，将泵浦光和信号光同时投射到非线性光纤传像束输入模块501中。非线性光纤传像束输入模块501为128×128的面阵结构，
所得到的图像信号光的功率为1nW。
本发明实施例中，利用SRS的放大机制，经过DCF发生基于受激拉曼散射的光参量放大，从而实现微弱信号的增强。
其中，DCF的拉曼增益系数为3.93×10-14m/W，有效损耗系数α=0.412dB/Km，面积Aeff=80μm2，长度7km，非线性光纤传像束的填充系数为0.31，激光同光纤耦合效率为60%，增益约为16dB。
步骤5f：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，分离出泵浦光、信号光和闲频光。
在经过DCF传输增强后的图像信号光中，包括了1520nm的信号光、1455nm的泵浦光，另外还产生了与信号光共轭的1395nm的闲频光。在本步骤中，经由非线性光纤传像束输出模块701，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出，得到信号光、闲频光和剩余的泵浦光；再经过图像信号选择模块801(镀有1455nm高反及1520nm增透膜的耦合镜)得到增强的信号光1520nm。
步骤5g：对泵浦光进行收集。
本步骤中，利用对泵浦光高反的平面镜901将剩余泵浦光反向传输至光纤再次利用。
步骤5h：将信号光作为平面图像输出成像，并进行接收和可视化。
本发明实施例中，将1520nm的信号光作为平面图像进行输出成像，经过输出成像镜头10、带通滤波模块11（本实施例中为1520nm窄带滤光片），最终由图像接收模块12中的成像感光元件对增强后的信号光图像进行成像。
至此，则完成了本发明实施例1中的光学图像增强的过程。
实施例2：
在该实施例2中，对目标物进行反射式成像，利用1553nm的泵浦光和1574nm的信号光，基于FWM效应的单泵浦光纤参量放大器进行图像增强。参见图7、图8。
步骤7a：利用信号光源对目标物进行主动照明。
在本发明实施例中，采用脉冲激光器101产生波长为1574nm的脉冲激光作为信号光，所产生的信号光的脉宽为10ns，重频为10Hz，所产生的信号光经由信号光整形镜102和发射镜103对目标物0进行主动照明。
步骤7b：利用反射式对目标物产生的图像信号成像。
本步骤中，信号光入射至目标物0，反射后携带目标图像信息，经输入成像镜头透镜201成像。
步骤7c：利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光。
本步骤中，通过脉冲激光器401产生波长为1553nm的脉冲激光作为泵浦光，所产生的泵浦光的脉宽为10ns，重频为10Hz，平均功率为170mW。所产生的泵浦光经由泵浦激光整形镜402以及泵浦激光发射镜403将泵浦光传输至输入耦合模块301，并通过偏振态控制器404对泵浦光进行偏振态控制，使得泵浦光与信号光的偏振态相同，以使增益最大。
步骤7d：将泵浦激光与图像信号光实现耦合。
本步骤中，将泵浦光和图像信号光通过时序控制器405通过控制泵浦光的时序，对图像信号光进行距离选通和实现图像信号光的时间同步，然后到达输入耦合模块301(镀有1553nm高反及1574nm增透膜的耦合镜)，使得泵浦光与图像信号光实现耦合。
步骤7e：输入非线性光纤传像束实现图像信号光的各像素点并行增强。
本步骤中，将泵浦光和信号光同时投射到非线性光纤传像束输入模块501中。非线性光纤传像束输入模块501为532×532的线阵结构，所得到的图像信号光的功率为100pW，可以通过偏振控制器来控制信号光的偏振态。
本发明实施例中，利用FWM的放大机制，经过DSF发生基于四波混频效应的光参量放大，从而实现微弱信号的增强。
其中，DSF的非线性系数2.4km-1W-1，零色散波长为1552nm，色散斜率为0.03ps/（nm2km），有效面积Aeff=100μm2，长度2.5km，非线性光纤传像束的填充系数为0.34，激光同光纤耦合效率为60%，增益约为36dB。
步骤7f：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，分离出泵浦光、信号光和闲频光。
在经过DSF传输增强后的图像信号光中，包括了1574nm的信号光、1553nm的泵浦光，另外还产生了与信号光共轭的1533nm的闲频光。在本步骤中，经由非线性光纤传像束输出模块701，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出，得到信号光、闲频光和剩余的泵浦光；再经过图像信号选择模块801(镀有1553nm高反及1533nm增透膜的耦合镜)得到增强的闲频光1533nmnm。。
步骤7g：对泵浦光进行收集。
本步骤中，利用光束收集器对剩余的泵浦光进行收集。
步骤7h：将闲频光作为平面图像输出成像，并进行接收和可视化。
本发明实施例中，将1533nm的闲频光作为平面图像进行输出成像，经过输出成像镜头10、带通滤波模块11（本实施例中为1533nm窄带滤波片），最终由图像接收模块12中的成像感光元件对增强后的闲频光图像进行成像。
至此，则完成了本发明实施例2中的光学图像增强的过程。
实施例3：
在该实施例3中，对目标物进行透射式成像，利用1539nm的泵浦光和1518nm的信号光，基于FWM效应的单泵浦光纤参量放大器进行图像增强。参见图9、图10。
步骤9a：利用信号光源对目标物进行主动照明。
在本发明实施例中，采用脉冲激光器101产生波长为1518nm的脉冲激光作为信号光，所产生的信号光的脉宽为1ns，重频为100Hz，所产生的信号光经由信号光整形镜102和发射镜103对目标物0进行主动照明。
步骤9b：利用透射式对目标物产生的图像信号成像。
本步骤中，信号光透过目标物0，携带目标图像信息，经输入成像镜头透镜201成像。
步骤9c：利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光。
本步骤中，通过脉冲激光器401产生波长为1539nm的脉冲激光作为泵浦光，所产生的泵浦光的脉宽为1ns，重频为100Hz，平均功率为450mW。所产生的泵浦光经由泵浦激光整形镜402以及泵浦激光发射镜403将泵浦光传输至输入耦合模块301，并通过偏振态控制器404对泵浦光进行偏振态控制，使得泵浦光与信号光的偏振态相同，以使增益最大。
步骤9d：将泵浦激光与图像信号光实现耦合。
本步骤中，将泵浦光和图像信号光通过时序控制器405通过控制泵浦光的时序，对图像信号光进行距离选通和实现图像信号光的时间同步，然后到达输入耦合模块301（镀有1539nm高反及1518nm增透膜的耦合镜），使得泵浦光与图像信号光实现耦合。
步骤9e：输入非线性光纤传像束实现图像信号光的各像素点并行增强。
本步骤中，将泵浦光和信号光同时投射到非线性光纤传像束输入模块501中。非线性光纤传像束输入模块501为1064×128的线阵结构，所得到的图像信号光的功率为20pW，可以通过偏振控制器来控制信号光的偏振态。
本发明实施例中，利用FWM的放大机制，经过HNLF发生基于四波混频效应的光参量放大，从而实现微弱信号的增强。
其中，HNLF的非线性系数2km-1W-1，零色散波长为1538nm，色散斜率为0.06ps/（nm2km），有效面积Aeff=150μm2，长度0.3km，非线性光纤传像束的填充系数为0.38，激光同光纤耦合效率为40%，增益约为21dB。
步骤9f：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，分离出泵浦光、信号光和闲频光。
在经过HNLF传输增强后的图像信号光中，包括了1518nm的信号光、1539nm的泵浦光，另外还产生了与信号光共轭的1561nm nm的闲频光。在本步骤中，经由非线性光纤传像束输出模块701，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出，得到信号光、闲频光和剩余的泵浦光；再经过图像信号选择模块801（镀有1539nm高反及1518nm增透膜的耦合镜）得到增强的信号光1518nm。
步骤9g：对泵浦光进行收集。
本步骤中，利用光束收集器对剩余的泵浦光进行收集。
步骤9h：将信号光作为平面图像输出成像，并进行接收和可视化。
本发明实施例中，将1518nm的信号光作为平面图像进行输出成像，经过输出成像镜头10、带通滤波模块11（本实施例为1518nm窄带滤波片），最终由图像接收模块12中的成像感光元件对增强后的信号光图像进行成像。
至此，则完成了本发明实施例3中的光学图像增强的过程。
可见，本发明实施例具有如下有益效果：
在本发明实施例提出的一种光学图像增强方法和装置中，可以将光学图像对应各像素点进行分布投射，逐点分割，再利用非线性光纤传像束实现图像信号的传输，并针对各点图像同时进行信号增强。相较于现有技术中的单根光纤的信号增强技术，具有更广泛的实用价值。
另外，本发明实施例采用非线性光纤传像束代替了现有技术中的块状非线性晶体进行多点图像增强，分辨率由非线性光纤直径与排布方式决定，同时由于光纤束的作用距离可以达到公里级，从而解决了图像信号增益与横向分辨率不可兼得的问题。本发明实施例结合了柔软光纤传像束的传像特性与非线性光纤具有的光学增益特性，可以实现微弱图像信号的光学增强，以及对微弱图像信号的探测和远距离传输，提高了系统的实用性，降低了系统的整体复杂度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种光学图像增强方法，其特征在于，包括：
对目标物成像，得到图像信号光；
利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点；通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强；
将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。
2.根据权利要求1所述的光学图像增强方法，其特征在于：
在所述对目标物成像之前还包括：利用信号光源对目标物进行主动照明；
所述信号光源为：谱线宽度小于1nm的窄线宽激光；或，谱线宽度为1-100nm的激光；或，谱线宽度大于100nm的宽谱激光；所述光源在时域内为连续波或脉冲分布；
所述对目标物成像包括：将目标物产生的图像信号，利用透射式成像；或，利用反射式成像；或，利用透射和反射的组合方式成像；和/或，利用线扫描转镜实现更大视场范围成像。
3.根据权利要求1所述的光学图像增强方法，其特征在于：
所述泵浦激光源在时域内为连续波或脉冲分布；
所述泵浦激光源为单个泵浦激光源或两个及两个以上泵浦激光源；
所述利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光包括：控制泵浦激光的时序，对所述图像信号光进行距离选通，实现泵浦光和图像信号光的时间同步。
4.根据权利要求1所述的光学图像增强方法，其特征在于：
所述非线性光纤传像束采用层叠式或酸溶式形成，采用光参量放大或受激拉曼散射非线性效应，输入与输出端光纤束逐点一一对应；
所述非线性光纤传像束中光纤为标准单模光纤、色散位移光纤、色散补偿光纤、色散平坦光纤、高非线性光纤中的一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学图像增强方法，其特征在于：
所述将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像包括：将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行分离，将分离出的泵浦光进行反射或收集，分离出的信号光或闲频光作为平面图像输出成像，并进行接收和可视化。
6.一种光学图像增强装置，其特征在于，包括：成像单元、耦合增强单元和输出单元，各单元顺序相连，其中：
成像单元，用于对目标物成像，得到图像信号光，输出至耦合增强单元；
耦合增强单元，用于利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，将其与所述图像信号光耦合后输入非线性光纤传像束，每根光纤对应于图像的一个像素点；通过选择泵浦激光波长、图像信号光波长和光纤参数，使它们满足非线性光学过程的相位匹配条件，输入微弱图像各像素点信号经非线性光纤传像束实现并行增强；
输出单元，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出成像。
7.根据权利要求6所述的光学图像增强装置，其特征在于：
所述系统还包括：信号光照明模块，用于利用光源对目标物进行主动照明，包括信号光源、信号光整形镜和信号光发射镜；所述信号光源为：谱线宽度小于1nm的窄线宽激光；或，谱线宽度为1-100nm的激光；或，谱线宽度大于100nm的宽谱激光；所述信号光源在时域内为连续波或脉冲分布；
所述成像单元包括：
输入成像镜头，包括：成像透镜，用于将目标物产生的图像信号利用透射式成像；或，反射镜，用于利用反射式成像；或，成像透镜和反射镜的任意组合；和/或，线扫描转镜，用于利用扫描转镜实现更大视场范围成像。
8.根据权利要求6所述的光学图像增强装置，其特征在于：
所述耦合增强单元包括：
泵浦激光模块，用于利用泵浦激光源产生和发射泵浦激光，包括泵浦激光源、泵浦激光整形镜、用于将泵浦光传输至输入耦合模块的泵浦激光发射镜、偏振态控制器以及时序控制器；所述泵浦激光源在时域内为连续波或脉冲分布；所述泵浦激光源为单个泵浦激光源或两个及两个以上泵浦激光源；所述时序控制器，用于通过控制泵浦激光的时序，对所述图像信号光进行距离选通，实现泵浦光和图像信号光的时间同步；
所述耦合增强单元还包括：
输入耦合模块，用于将泵浦激光与所述图像信号光实现耦合，然后输入非线性光纤传像束输入模块；
非线性光纤传像束输入模块，用于将耦合后的输入信号对应各个像素点分布投射。
9.根据权利要求6所述的光学图像增强装置，其特征在于：
所述耦合增强单元还包括：非线性光纤传像束，用于实现图像信号光的各像素点并行增强；
所述非线性光纤传像束采用层叠式或酸溶式形成，利用光参量放大或受激拉曼散射非线性效应实现图像信号增强，输入与输出端光纤束逐点一一对应；
所述非线性光纤传像束中光纤为标准单模光纤、色散位移光纤、色散补偿光纤、色散平坦光纤、高非线性光纤中的一种。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的光学图像增强装置，其特征在于，所述输出单元包括：
非线性光纤传像束输出模块，用于将经各像素点并行增强之后的图像信号光进行输出，得到信号光和闲频光，及剩余的泵浦光；
图像信号选择模块，用于将经各像素点并行增强之后的信号光和闲频光进行分离，得到信号光或闲频光；
泵浦光收集模块，包括光束收集器或反射镜，用于将分离出的泵浦光进行反射或收集；
输出成像镜头，用于将输出的平面图像成像；
带通滤波模块，用于对成像后的平面图像进行带通滤波；
图像接收模块，用于对带通滤波后的平面图像进行接收和可视化。
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|---|---|---|---|---|
| CN105911792A (zh) * | 2016-07-04 | 2016-08-31 | 中国科学院理化技术研究所 | 基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置 |
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| CN101191970A (zh) * | 2006-11-20 | 2008-06-04 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 超快光参量图像放大的方法及其设备 |
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