CN110108657A - 常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有主流中长波红外成像技术中探测器存在较大的暗电流，难以满足中长波红外超灵敏探测的技术问题，本发明提供了一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统。其中方法包括以下步骤：1)利用泵浦源输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；其中，泵浦源输出的泵浦光产生近红外谐振相干光，中长波红外图像与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强；2)采集并分析高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；3)对高频近红外图像的光学信息进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术，具体涉及一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统。
背景技术
由于中长波红外的光子能量对应分子振动－转动跃迁能级，而且吸收或是透射频谱的波峰数目和位置、以及频谱的强度分布都能反映物质分子结构上的特征，因此中长波红外用以鉴定物质的组成成分，在光谱学领域具有巨大的学术价值和应用潜力。中长波红外在大气传输时吸收比散射严重得多，主要有3～5μm和8～14μm两个离散频带的大气窗口，同时，中长波红外也是物体热辐射探测的常用波段。
中长波红外技术广泛应用到环境监测、生产质控、医学成像、大气遥感和军事对抗等领域。在环境监测领域，由于大多数的碳氢气体及其它的有毒气体，如NO，H2S、N2O等，对中长波红外附近的光具有很强的吸收，通常其强度比中长波红外要高出好几个数量级，所以其在天然气管道泄漏的探测、油田开采、毒品稽查及地球大气中对流层和平流层组成成分的探测等方面具有广泛的应用价值；在生产质控领域，因为很多非金属和聚合物材料，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲脂和丙烯腈等，主要是由C-H键和O-H键组成，而这些化学键会通过吸收中长波红外，所以中长波红外可用于该类材料生产时质量监控和成分比例的定量监测；在医学成像领域，医用红外成像技术是通过人体红外辐射能量的采集，然后光电转换成电信号，最后通过软件分析以此实现疾病诊断的手段。长波红外热成像诊断技术特别是针对器官之中的血液循环炎症、血液循环炎症、酸痛等有着重要的诊断意义；在大气遥感领域，由于中长波红外对大雾、烟尘等的穿透能力较强，并且在海平面传播时气体分子对该波长的吸收和悬浮物对该波长的散射都比较弱，因此中长波红外可被广泛地应用于大气遥感领域；在军事对抗领域，中长波红外在目标识别方面具有很大的优势，因此在军事应用方面广泛用于侦查用途，例如战场详细侦查、伪装目标识别、打击毁伤分析等。
目前，基于锑化铟(InSb)、硫化铅(PnS)、硒化铅(PbSe)和碲镉汞(MCT)的探测器是实现中长波红外探测的主流探测器，但由于它们存在较大的暗电流，难以满足中长波红外超高灵敏探测。
发明内容
为了解决现有主流中长波红外成像技术中探测器存在较大的暗电流，难以满足中长波红外超灵敏探测的技术问题，本发明提供了一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)利用泵浦源输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；
2)采集并分析高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
3)对高频近红外图像的光学信息进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
步骤1)中，泵浦源输出的泵浦光产生近红外谐振相干光，中长波红外图像与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强。
同时，本发明提供一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特殊之处在于：包括泵浦源、中长波成像系统、频率变换像增强装置、近红外图像采集分析装置及数据处理装置；
所述频率变换像增强装置用于接收中长波成像系统输出的中长波红外图像和泵浦源输出的泵浦光，并使泵浦源输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；
所述近红外图像采集分析装置接收并分析高频近红外图像，获得高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
所述数据处理装置用于将高频近红外图像进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
进一步地，所述频率变换像增强装置包括晶体控制器、谐振腔和设置在谐振腔内的激光晶体、反射镜、非线性晶体和腔镜；
所述激光晶体经泵浦源激发后产生近红外谐振相干光，所述近红外谐振相干光和中长波红外图像分别经反射镜透射或反射后，依次经非线性晶体和腔镜后，得到高频近红外图像；
所述非线性晶体与晶体控制器连接，晶体控制器用于控制非线性晶体的温度和姿态。
进一步地，所述中长波成像系统包括设置在输出光路上的中长波红外窗片和中长波红外成像透镜组。
进一步地，所述泵浦源为泵浦激光器，泵浦光为线偏振，泵浦激光器的出射方向上设有光束耦合透镜。
进一步地，所述反射镜的反射面为凹面，中长波红外图像透射反射镜，近红外谐振相干光经反射镜反射。
进一步地，所述激光晶体的入射面设有对泵浦光的增透膜，对近红外谐振光的高反膜；所述腔镜的出射面设有高频近红外光的高透膜和近红外谐振相干光的反射膜。
进一步地，所述近红外图像采集分析装置包括近红外成像透镜组、近红外滤波器和图像采集装置，高频近红外图像依次经过近红外成像透镜组和近红外滤波器后，成像到图像采集装置上；所述图像采集装置为CCD或IPD相机。
同时，本发明还提供了一种基于上述一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)频率变换像增强装置接收中长波红外图像和泵浦光
1.1)使泵浦源输出的泵浦光入射频率变换像增强装置；
1.2)经泵浦光照射频率变换像增强装置内的激光晶体，在频率变换像增强装置内部产生近红外谐振相干光；
1.3)使中长波红外图像和近红外谐振相干光同时入射至频率变换像增强装置内的非线性晶体，非线性晶体接收中长波红外图像，与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强，输出功率放大、频率变换到高频的近红外图像；
2)采集分析高频近红外图像获取高频近红外图像的光学信息
近红外图像采集分析装置接收并分析高频近红外图像，即可获取高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
3)得到增强后的中长波红外图像信息
使用数据处理装置对高频近红外图像的光学信息进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
进一步地，步骤3)得到增强后的中长波红外图像信息，具体步骤如下：
3.1)依据能量守恒定律计算高频近红外频率对应的中长波红外频率；
3.2)将近红外图像采集分析装置采集的高频近红外图像的光学信息一一对应转换为中长波红外图像的光学信号。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明的成像方法，基于光学频率变换和频的过程，可实现图像信号转换，同时放大成像信号，具有实时成像、超高灵敏度和信噪比的特点；
基于非线性频率上转换将中长红外光图像和强度信号“一对一”转换到近红外波段，进而采用近红外单光子探测能力的器件进行探测与成像，克服目前中红外波段成像器件的灵敏度限制，将中长波红外非相干信号探测灵敏度提高。
2、本发明的成像系统结构简单，可靠性好。
3、本发明图像采集装置可为CCD或IPD相机，可将中长波红外的成像探测灵敏度提高到单光子测量灵敏度。
4、本发明通过晶体控制器对非线性晶体的长度、注入光束的方向、偏振和强度进行精密控制调整，使输出的中长波红外图像获得高保真度。
5、本发明的成像方法具有高灵敏度，可在多光谱成像探测、高灵敏度高分辨率激光雷达、弱光信号探测、光学相关层析成像、超快荧光动力学、量子成像、光学遥感、军事应用等领域具有重大的应用潜力和应用价值。
附图说明
图1为本发明常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法的原理框架图；
图2为本发明常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统的结构示意图；
图3为本发明常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法在有腔增强和无腔增强情况下中长波红外转换效率示意图；
其中，附图标记如下：
1-泵浦源，2-光束耦合透镜，3-激光晶体，4-反射镜，5-非线性晶体，6-晶体控制器，7-腔镜，8-近红外成像透镜组，9-近红外滤波器，10-图像采集装置，11-中长波红外成像透镜组，12-中长波红外窗片，13-数据处理装置，14-中长波成像系统，15-频率变换像增强装置，16-谐振腔，17-近红外图像采集分析装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
由于近红外波段InGaAs/InP的雪崩光电二极管具有单光子计数和光子数分辨的探测能力，因此，本发明提出基于非线性频率上转换，将中红外光光谱和强度信号“一对一”转换到近红外波段，进而采用近红外单光子探测能力的器件进行探测与成像，克服了目前中红外波段成像器件的灵敏度限制，将中长波红外非相干信号探测灵敏度提高到目前传统中红外波段成像设备的103以上，在多光谱成像探测、高灵敏度高分辨率激光雷达、弱光信号探测、光学相关层析成像、超快荧光动力学、量子成像、光学遥感、军事应用等领域具有重大的应用潜力和应用价值。
如图1和图2所示，一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法，由中长波成像系统14(中长波红外光学接收系统)收集的中长波红外图像与泵浦源输出的泵浦光，输出图像信号经近红外图像采集分析，再进行数据处理；具体包括以下实现步骤：
1)接收中长波成像系统14输出的中长波红外图像和泵浦源输出的泵浦光，利用泵浦源1输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；其中泵浦源1输出的泵浦光产生近红外谐振相干光，中长波红外图像与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强。
2)采集并分析高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
3)对高频近红外图像的光学信息进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
本实施例提供了一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，包括泵浦源1、中长波成像系统14、频率变换像增强装置15、近红外图像采集分析装置17及数据处理装置13；频率变换像增强装置15用于接收中长波成像系统14输出的中长波红外图像和泵浦源1输出的泵浦光，并使泵浦源1输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；近红外图像采集分析装置17接收并分析高频近红外图像，获得高频近红外图像的光学信息，光学信息包括光谱强度分布和波前相位；数据处理装置13用于将高频近红外图像进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
本实施例中频率变换像增强装置15包括晶体控制器6、谐振腔16和设置在谐振腔16内的激光晶体3、反射镜4、非线性晶体5和腔镜7；激光晶体3经泵浦源1激发后产生近红外谐振相干光，近红外谐振相干光和中长波红外图像分别经反射镜4透射或反射后，依次经非线性晶体和腔镜7后，得到高频近红外图像并被近红外图像采集分析装置17接收；晶体控制器6用于控制非线性晶体5温度和姿态的晶体控制器6，激光晶体3、反射镜4、非线性晶体5和腔镜7均镀膜，可减少腔内损耗，保证较大的腔内谐振功率，里面具体有反射膜和透射膜，视具体使用波长而定；本实施例中激光晶体的入射面是对泵浦光的增透膜，对近红外谐振光的高反膜，腔镜出射面设有上转换后高频近红外的高透膜，和近红外谐振光的一定比例反射膜(例如>99％)，这样近红外谐振光能量存储在腔内形成强光功率密度，极大提高非线性上转换效率。
本实施例的腔镜7是镀有小于1％透射率的介质膜的光学镜片，材料选择要近红外低损，反射镜4的材质要求对中长波红外低损；在激光晶体3前端镀膜可以省却输入镜片，使结构更简单，谐振腔内的稳定性更好，激光晶体3是在外部泵浦下腔内激光产生，使腔内有很高的谐振功率；非线性晶体5是用作频率变换，将腔内的谐振波长和接收的中长波红外波长共同发生二阶非线性光学作用产生近红外新波长。
频率变换像增强装置15具有中长波红外图像信息入射端口及高频近红外图像信息输出端口；频率变换像增强装置15还设置有相应泵浦光的输入端口，近红外谐振光与中长波红外图像信号以近共线准相位匹配方式输入中长波红外非线性晶体(非线性频率变换介质)。其中泵浦源1为泵浦激光器，泵浦光为线偏振，泵浦源1采用连续泵浦源，泵浦激光器的出射方向上设有光束耦合透镜2，泵浦光由耦合透镜输入腔内频率变换像增强装置15中的激光晶体3产生连续功率数百W的腔内近红外谐振相干光；中长波成像系统14输出的中长波红外图像，由中长波红外窗片12和中长波红外成像透镜组11收集，中长波红外图像与近红外谐振相干光共同注入由晶体控制器6控制温度和姿态的非线性晶体产生二阶非线性作用，实现高效光参量上转换过程，对中长波红外图像进行频率变换和增强，产生的高频近红外图像经腔镜7和近红外成像透镜组以及近红外滤波器后成像到图像采集分析装置10上；最后由数据处理装置13通过“一一对应”关系获得目标物中长波红外图像信息；采用由光束耦合透镜2和偏振片组成的控制单元将一定偏振和功率密度需求的泵浦光控制后使用，对泵浦光限制要求低。
通常采用反射镜4的反射面可为凹面，中长波红外图像透射反射镜4，近红外谐振相干光经反射镜4反射，通过改变反射镜4凹面的的反射角度可以灵活的调整最佳腔长以适应不用的非线性晶体5长度和成像距离。
中长波红外图像信号与近红外谐振光发生二阶非线性作用时，需要对增益介质长度、注入光束的方向、偏振和强度进行精密控制调整，通过晶体控制器6控制非线性晶体5的温度和姿态，使输出的中长波红外图像获得最高保真度，特别需要进行腔增强使近红外谐振光具有数百W的连续功率提高频率变换效率至可应用。中长波红外图像信号采用中长波红外的镜片和镀膜进行目标图像信号的收集和耦合或是采用金属镀膜的反射镜4进行收集耦合。
近红外图像采集分析装置17接收高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，光学信息包括光谱强度分布和波前相位，近红外图像采集分析装置17包括近红外成像透镜组8、近红外滤波器9和图像采集装置10，高频近红外图像依次经过近红外成像透镜组8和近红外滤波器9后，成像到图像采集装置10上；图像采集装置10可以根据需要选择合适分辨率、灵敏度和响应带宽器件，当采用科学级CCD或是IPD相机时，可将中长波红外的成像探测灵敏度提高到单光子测量灵敏度。近红外图像采集分析装置17具有前置滤波器接受高频近红外图像信号，能够获取其中的光谱强度分部与波前相位等信息。
中长波红外图像信号图像可以是连续运转或是脉冲(低重频或是高重频)、窄带或是宽带。频率变换像增强装置15采用光学参量过程将相干/非相干的长波红外光转换为高频近红外光，信号也可以是中长波红外相干/非相干辐射源照射目标后反射的图像。
频率变换图像增强装置所作用的中长波红外图像信号可与泵浦光的运转、带宽和重频特征不相同，不需同步。
基于上述一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)频率变换像增强装置接收中长波红外图像和泵浦光
使接收中长波成像系统14输出的中长波红外图像和泵浦源1输出的泵浦光，对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像，该步骤具体如下：
1.1)泵浦源1输出的泵浦光入射频率变换像增强装置15；
1.2)使经泵浦光照射频率变换像增强装置15内的激光晶体3，在频率变换像增强装置15内部产生近红外谐振相干光；
1.3)中长波红外图像和近红外谐振相干光同时入射至频率变换像增强装置15内的光学非线性晶体，非线性晶体接收中长波红外图像，与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强，输出功率放大、频率变换到高频的近红外图像；
2)采集分析高频近红外图像获取高频近红外图像的光学信息
近红外图像采集分析装置17接收并分析高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
3)得到增强后的中长波红外图像信息
使用数据处理装置13对高频近红外图像的光学信息进行转换，即可得到中长波红外图像信息。计算高频近红外频率对应的中长波红外频率，将高频近红外光谱的强度分部与波前相位等信息转换为中长波红外光谱的强度分部与波前相位等信息，具体过程如下：
3.1)依据能量守恒定律计算高频近红外频率对应的中长波红外频率；
3.2)将近红外图像采集分析装置采集的高频近红外图像的光学信息一一对应转换为中长波红外图像的光学信号。
如图3所示，本实施例以中红外(3-5μm)目标为例，可采用商品化808nm半导体激光器泵浦Nd：YVO4激光晶体3，通过一个简易三镜腔形成1064nm激光谐振腔。在8W左右的连续808nm激光输入的下，腔内功率大于200W，为实现光参量上转换提供泵浦功率。采用自发辐射产生的连续中红外源作为成像光源，经准直照射目标物，光信号经透镜收集使光的傅里叶焦平面处在晶体前表面，耦合至内腔的PPLN晶体中，与内腔1064nm激光和频产生近红外高频光子。通过红外透镜将由于参量转换被矢量压缩的光信号成像与2f后的EM CCD上，灵敏度可达单光子探测水平。在电脑中将采集信号进行重构处理，得到原中红外光图像。
针对长波红外时可相应更换非线性介质和滤波器中心波长，同时，改变腔内镜片镀膜对应波长可实现同样效果。
光学频率变换和频的过程即：基频光频率+信号光频率＝高频光频率，是两个较低频的基频光能量在计划耦合场中相加，产生一个光子能量值为它们之和的高频光子，这里的信号光为中长波红外图像信号，高频光图像与原始中长波红外图像的振幅相位一一对应，此光学频率变换和频的过程具有高增益、高信噪和宽匹配带宽的特点。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (10)
1.一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用泵浦源(1)输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；
其中，泵浦源(1)输出的泵浦光产生近红外谐振相干光，中长波红外图像与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强；
2)采集并分析高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
3)对高频近红外图像的光学信息进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
2.一种常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：包括泵浦源(1)、中长波成像系统(14)、频率变换像增强装置(15)、近红外图像采集分析装置(17)及数据处理装置(13)；
所述频率变换像增强装置(15)用于接收中长波成像系统(14)输出的中长波红外图像和泵浦源(1)输出的泵浦光，并使泵浦源(1)输出的泵浦光对中长波红外图像进行频率变换和增强，得到高频近红外图像；
所述近红外图像采集分析装置(17)接收并分析高频近红外图像，获得高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
所述数据处理装置(13)用于将高频近红外图像进行转换，得到增强后的中长波红外图像信息。
3.根据权利要求2所述的常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：所述频率变换像增强装置(15)包括晶体控制器(6)、谐振腔(16)和设置在谐振腔(16)内的激光晶体(3)、反射镜(4)、非线性晶体(5)和腔镜(7)；
所述激光晶体(3)经泵浦源(1)激发后产生近红外谐振相干光，所述近红外谐振相干光和中长波红外图像分别经反射镜(4)透射或反射后，依次经非线性晶体(5)和腔镜(7)后，得到高频近红外图像并被近红外图像采集分析装置(17)接收；
所述非线性晶体(5)与晶体控制器(6)连接，晶体控制器(6)用于控制非线性晶体(5)的温度和姿态。
4.根据权利要求3所述的常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：
所述中长波成像系统(14)包括设置在输出光路上的中长波红外窗片(12)和中长波红外成像透镜组(11)。
5.根据权利要求4所述的常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：
所述泵浦源(1)为泵浦激光器，泵浦光为线偏振，泵浦激光器的出射方向上设有光束耦合透镜(2)。
6.根据权利要求5所述的常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：
所述反射镜(4)的反射面为凹面，中长波红外图像透射反射镜(4)，近红外谐振相干光经反射镜(4)反射。
7.根据权利要求6所述的常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：
所述激光晶体(3)的入射面设有对泵浦光的增透膜和对近红外谐振光的高反膜；
所述腔镜(7)的出射面设有高频近红外光的高透膜和近红外谐振相干光的反射膜。
8.根据权利要求2至7任一所述的常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统，其特征在于：
所述近红外图像采集分析装置(17)包括近红外成像透镜组(8)、近红外滤波器(9)和图像采集装置(10)，高频近红外图像依次经过近红外成像透镜组(8)和近红外滤波器(9)后，成像到图像采集装置(10)上；
所述图像采集装置(10)为CCD或IPD相机。
9.基于权利要求3至8任一所述常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)频率变换像增强装置(15)接收中长波红外图像和泵浦光
1.1)使泵浦源(1)输出的泵浦光入射频率变换像增强装置(15)；
1.2)经泵浦光照射频率变换像增强装置(15)内的激光晶体(3)，在频率变换像增强装置(15)内部产生近红外谐振相干光；
1.3)使中长波红外图像和近红外谐振相干光同时入射至频率变换像增强装置(15)内的光学非线性晶体(5)，非线性晶体(5)接收中长波红外图像，与近红外谐振相干光产生二阶非线性作用，对中长波红外图像进行频率变换和增强，输出功率放大、频率变换到高频近红外图像；
2)采集分析高频近红外图像获取高频近红外图像的光学信息
近红外图像采集分析装置(17)接收并分析高频近红外图像，获取高频近红外图像的光学信息，所述光学信息包括光谱强度分布和波前相位；
3)得到增强后的中长波红外图像信息
使用数据处理装置(13)对高频近红外图像的光学信息进行转换，即可得到增强后的中长波红外图像信息。
10.根据权利要求9所述的成像方法，其特征在于，步骤3)得到增强后的中长波红外图像信息，具体步骤如下：
3.1)依据能量守恒定律计算高频近红外频率对应的中长波红外频率；
3.2)将近红外图像采集分析装置(17)采集的高频近红外图像的光学信息一一对应转换为中长波红外图像的光学信号。
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