CN213069366U - 一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置 - Google Patents

Abstract

一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，包括照明图像光束产生模块、拉盖尔高斯光束产生模块、上转换处理模块、成像模块；所述所述拉盖尔高斯光束产生模块包括依光路设置的泵浦激光器、用于调节泵浦光束偏振状态的第二偏振调制组件、涡流相位板、第一透镜、第二透镜。所述上转换处理模块包括组成上转换处理模块的第三透镜、二向色镜、PPKTP晶体、第四透镜。照明图像光束产生模块产生的照明光束经过第三透镜入射到二向色镜中，拉盖尔高斯光束产生模块产生的高斯泵浦光束入射到二向色镜中，两束光束在二向色镜中重叠一起向右经过PPKTP晶体后射入第四透镜。本发明基于SPC技术和FOV利用二阶非线性转换将近红外光转换为可见光，并显示出边缘增强和视场变大的图像。

Description

一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置

技术领域

本发明涉及激光技术、非线性光物理技术领域和原子物理技术领域，尤其涉及一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置。

背景技术

近红外(NIR)技术的光学成像系统在众多领域有着广泛应用，其中包括生物医学、监视和军事系统等领域。波长在1550nm左右的近红外光在激光雷达成像系统中的利用率很高，这个波段的波长有很多优点，如对眼睛无伤害，有良好的大气透明度。这个波长范围同样也适用于高峰值功率的激光器。目前现有的红外探测技术限制了直接红外成像技术的发展。所以将近红外照明转换为可见光谱的技术越来越重要。

成像中的相位对比可以追溯到上世纪30年代Frits Zernike在边缘检测方面所做的工作，在这项工作中，他提出了一种对透明物体进行微观观察的新方法。在光学成像系统中，发展了螺旋相位对比(SPC)技术，使用旋涡结构滤波器来增加强度和相位对象的对比度。后来在这项技术的发展过程中还利用了改进的螺旋相位全息图实现了人脸颊细胞SPC成像的定向阴影效应。由此可见，SPC技术应用的范围越来越广。在传统方法中通常使用宽带泵浦激光器、双光照波长、放大自发辐射(ASE)光源、晶体旋转和晶体内部的设计温度梯度来评估观察锥角的增加倍数，实现更广阔的视场(FOV)是图像系统长期追求的目标。边缘和视场增强技术的应用助于提高成像性能和灵敏度。

发明内容

为了将近红外光转换为可见光，并显示出边缘增强和视场变大的图像，为此，本发明提供一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置。本发明采用以下技术方案：

一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，包括拉盖尔高斯光束产生模块，所述拉盖尔高斯光束产生模块包括依光路设置的泵浦激光器、用于调节泵浦光束偏振状态的第二偏振调制组件、涡流相位板、第一透镜、第二透镜。

具体地说，所述泵浦激光器属于波长为791nm钛宝石激光器。

具体地说，所述涡流相位板属于一个透明的介质圆片，它的厚度随辐角连续光滑的线性变化，旋转一周后，螺旋相位版表面形成一个高度为h的阶梯。高斯基模光束垂直入射拓扑电荷L＝1的涡流相位板，出射光束可以直接表示为入射光束乘以附加的相位项，就可以得到拉盖尔高斯光束。

具体地说，所述第一透镜和第二透镜构成第一4-f系统，共焦长度分别为300nm和150mm。将光束直径变为原来的一半。

具体地说，所述拉盖尔高斯光束产生模块在泵浦激光器后还设置有控制泵浦光束的偏振状态的第二偏振调制组件。

具体地说，还包括照明图像光束产生模块，所述照明图像光束产生模块包括依光路设置的二极管激光器、第一偏振调制组件、空间光调制器、用于控制空间光调制器的图像输入的第一计算机；

具体地说，所述照明图像光束产生模块在二极管激光器后还设置有控制光束偏振状态的第一偏振调制组件。

具体地说，还包括上转换处理模块，所述上转换处理模块包括组成上转换处理模块的第三透镜、二向色镜、PPKTP晶体、第四透镜；照明图像光束产生模块产生的照明光束经过第三透镜入射到二向色镜中，拉盖尔高斯光束产生模块产生的高斯泵浦光束入射到二向色镜中，两束光束在二向色镜中重叠一起向右经过PPKTP晶体后射入第四透镜。

具体地说，所述PPKTP晶体机构为具有年轮型结构的准相位匹配的周期性极化晶体。

其中，所述周期性极化晶体为圆对称分层结构，且周期性极化方向垂直于相应随传播方向变化的波矢。

具体地说，所述周期性极化晶体的长度为33mm，孔径为2×1mm²，两端分别涂有524.8nm，1556.3nm和791.8nm的抗反射膜，其准相位匹配周期极化周期为19.4μm，采用自制的温度控制器对PPKTP晶体进行温度控制，温度稳定度为±0.002℃。

具体地说，所述第三透镜和第四透镜构成第二4-f系统，保持传输的光束参数不变。

具体地说，还包括成像模块，所述成像模块包括带通525nm滤波器、电荷耦合器件、用于显示图像并比对分析的第二计算机；所述带通525nm滤波器用于清理输出图像，带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。该滤波器的最大带宽为10nm。所述低噪声高速电荷耦合器件 (BC106-VIS，Thorlabs)记录可见光转换图像。

本发明的优点在于：

1.现有技术是利用高斯基模光束与携带OAM载运的照明光束和频产生使得图像边缘增强，属于线性转换过程，本发明在PPKTP晶体里将携带OAM 载运的拉盖尔高斯光束和1556nm的照明光束和频产生过程属于二阶非线性转换过程。相对于现有技术，本发明装置结构更为简洁，对物体成像的效果特点更加明显。

2.本发明通过改变PPKTP晶体的温度，可以获得更广阔的成像视角。

3.螺旋相位衬度操作是基于和频产生的二阶非线性滤波过程，它使用 PPKTP晶体作为携带轨道角动量(OAM)的旋涡泵光束的非线性滤波器，从而实现了基于不可见光的可见边缘检测。非线性相互作用发生在晶体所在的第二 4-f系统的傅里叶谱平面上。这种方法将标准螺旋相位衬度的两步和上转换过程变成了一个单独的过程。

4.在以往的上转换螺旋相位衬度成像中，使用的是基于临界相位匹配的Ⅱ型KTP晶体1064nm倍频上转换螺旋相位衬度成像，它们的结构只能转换 1064nm的特定波长，且没有走离效应，这限制了波长的可调谐性。相比之下，在本发明实例中基于准相位匹配(QPM)的0型PPKTP晶体的上转换结构的优点是可以使用最大的非线性系数(d₃₃)，同时没有走离现象。因此，在临界相位匹配方面，转换效率将高于KTP晶体，且具有更高的有效非线性系数。

5.通过适当设计晶体和涂层的QPM周期，我们可以获得任意波长的上转换成像。迄今为止，本发明实例首次利用涡旋泵光束在不同波段形成具有视场增强的图像，从而为多波段成像提供了一些可供选择的机会。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置；

图2为本发明实施例中各模块组装后的整体装置图；

图3为本发明实施例提供的照明图像光束产生模块装置；

图4为本申请实施例提供的拉盖尔高斯光束产生模块装置；

图5为本发明实施例提供的上转换处理模块装置；

图6为本发明实施例提供的成像模块装置；

图7(a)-图7(c)为无SPC的的上转换图像；

图8(a)-图8(c)为有SPC的上转换图像；

图9为在不同温度下的上转换SPC图像；

图中编注符号的含义如下：

1-照明图像光束产生模块 2-拉盖尔高斯光束产生模块 2-上转换处理模块 4-成像模块 11-二极管激光器 12-第一偏振调制组件 13-空间光调制器 14-第一计算机 21-泵浦激光器 22-第二偏振调制组件 23-涡流相位板 24-第一透镜 25-第二透镜 31-第三透镜 32-二向色镜 33-PPKTP晶体 34-第二透镜 41-带通滤波器 42-电荷耦合器件 43-第二计算机

具体实施方式

如图1-2所示，一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，包括依次设置的

照明图像光束产生模块1，所述照明图像光束产生模块1用于在PPKTP晶体33平面上产生照明光束。

拉盖尔高斯光束产生模块2，所述拉盖尔高斯光束产生模块2用于将高斯基模光束转换为拉盖尔高斯光束，再通过4-f系统转换成直径更小的光束。

上转换处理模块3，所述上转换处理模块3用于将泵浦光束和照明光束重叠在同一方向上，利用从近红外(NIR)光谱到可见光谱的二阶非线性上转换，获得增强的FOV和SPC图像。

成像模块4，所述成像模块4使用带通525nm滤波器对输出图像进行处理，通过低噪声高速CCD记录可见光转换图像。

以下对上述三个模块进行详细的描述：

1.照明图像光束产生模块1

照明图像光束产生模块1包括在光路上依次设置的二极管激光器11、偏振调制组件12、空间光调制器13、第一计算机14。

二极管激光器11型号为(prodesign,Toptica)，用于产生波长为1556nm的照明光束。

第一偏振调制组件12包括一个第一半波片(@1556nm)121和一个第一四分之一波片(@1556nm)122。通过调节两者的快轴方向，可控制照明光束的水平偏振状态。

空间光调制器13可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变光束空间分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。空间光调制器13可在相干处理系统下输入非相干光图像或随时间变化的图像，由计算机控制下可在内部光束上附加图像信息，光束直接传播到模块3 中。

空间光调制器的图像信息可用二值函数T表示。当照明光束经过空间光调制器13后，在光线传播方向上，光波场分布是高斯光束横向分布和T的乘积，可以写成U₀＝T·exp(-r²/w₁ ²)，r是径向坐标，w₁是束腰半径。

第一计算机14用于控制空间光调制器13的图像输入。

2.拉盖尔高斯光束产生模块2

拉盖尔高斯光束产生模块2包括依光路设置的泵浦激光器21、用于调节泵浦光束偏振状态的第二偏振调制组件22、涡流相位板23、第一透镜24、第二透镜25。

泵浦激光器21属于钛宝石激光器，发出波长为791nm的泵浦光束。

第二偏振调制组件22包括一个第二半波片(@791nm)221和一个第二四分之一波片(@791nm)222。通过调节两者的快轴方向，可控制高斯基模光束的偏振状态。

涡流相位板23属于一个透明的介质圆片，它的厚度随辐角连续光滑的线性变化，旋转一周后，螺旋相位版表面形成一个高度为h的阶梯。高斯基模光束垂直入射拓扑电荷L＝1的涡流相位板23，出射光束可以直接表示为入射光束乘以附加的相位项，就可以得到拉盖尔高斯光束。

第一透镜24和第二透镜25之间相距2个焦距，构成4-f系统，所以涡流相位板23与第一透镜24相距一个焦距，第二透镜25与二向色镜32相距一个焦距，4-f系统共焦长度分别为300nm和150mm。拉盖尔高斯光束通过由透镜 24和透镜25组成的第一4-f系统转换后射出，其光束直径变为原来的一半，然后射入模块3的二向色镜32。

3.上转换处理模块3

上转换处理模块包括组成上转换处理模块的第三透镜31、二向色镜32、 PPKTP晶体33、第四透镜34；照明图像光束产生模块产生的照明光束经过第三透镜入射到二向色镜中，拉盖尔高斯光束产生模块产生的高斯泵浦光束入射到二向色镜中，两束光束在二向色镜中重叠一起向右经过PPKTP晶体33后射入第四透镜。

在模块3中第三透镜31和第四透镜34构成上转换第二4-f系统，第三透镜 31与空间光调制器13相距一个焦距f，透镜31光心与二向色镜32的距离为s₁，二向色镜32与PPKTP晶体33左端点的距离为s₂，

L是PPKTP 晶体33的长度，n₁是透镜31的折射率。PPKTP晶体33的右端点与透镜34光心相距一个焦距f，第四透镜34光心与模块4中的电荷耦合器件42相距一个焦距f。

二向色镜32，所述的二向色镜32左侧表面镀膜AR@791nm，右侧表面镀膜 HR@1556nm，反射照明光束并平移拉盖尔高斯光束，使它们在相同的位置重叠，一起向右传播。

PPKTP晶体33，在本发明实例中使用的0型PPKTP晶体长度为3mm，孔径为 2×1mm²，两端分别涂有524.8nm，1556.3nm和791.8nm的抗反射膜，其准相位匹配周期极化周期为19.4μm，采用自制的温度控制器对PPKTP晶体进行温度控制，温度稳定度为±0.002℃。

在本发明的光线方向上，薄透镜的光线传输矩阵为

l₁和l₂分别表示透镜前后的距离，如对于透镜31而言，

对于具有坐标系的PPKTP晶体33中的平面，射线传输矩阵的表达式为

其中

是PPKTP晶体33的传播矩阵，

时界面矩阵，L是PPKTP晶体33的长度。U₀的近轴光学系统用柯林斯微分积分方程计算为

其中U₁是输入场，U₂是传播结果， d是系统的总长度，A，B，C，D是系统传输矩阵内的元素，

是U₁的平面。

4.成像模块4

成像模块4包括带通525nm滤波器41、电荷耦合器件42、用于显示图像并比对分析的第二计算机43。

带通525nm滤波器41用于清理输出图像，带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。该滤波器的最大带宽为10nm。

电荷耦合器件42，所述低噪声高速电荷耦合器件(BC106-VIS，Thorlabs) 记录可见光转换图像。

第二计算机43，所述第二计算机43用于显示图像并比对分析。

基于本发明装置，实施例a具体如下：空间光调制器13上的数字分别是阿拉伯数字4，5，三竖杠，这些对象具有普遍性。在图7(a)-图7(c) 以及图8(a)-图8(c)中显示了有SPC和无SPC的单个数字的上转换图像。图7(a)-图7(c)是无SPC过程的上转换图像，在图8(a)-图8(c) 中可以看到轮廓和形状边缘增强。图8(a)-图8(c)是在本发明装置下所成的图像。

为了对图像质量进行近似分析，将平均可见性定义为用于评估SPC 的质量的索引：V＝[(I_max-I_min)/(I_max-I_min)]。这里，I_max是增强轮廓的平均最大灰度值，而I_min是高亮度输出线之间暗区域的最小灰度值。图像(b3) 和(a3)中两种方案的平均可见性分别约为91.8％和77.7％，与无spc 结构相比，具有更高的对比度和更低的背散射噪声。

实施例b具体如下：利用空间光调制器13加载了新的图像后，当调整 PPKTP晶体33的温度时，由于相位不匹配，转换图像获得不同的FOV。在图9中(a1)-(a6)或图9中(b1)-(b6)中所使用的温度分别是18.7 ℃，24.1℃，29.6℃，34.5℃，37.1℃，45.7℃。

通过控制PPKTP晶体33的温度，整个强度对象的轮廓以不同的空间模式被高亮度照亮。图9中(a1)-(a6)是传统的上转换图像处理图， (b1)-(b6)是本发明实例中装置的上转换处理图，最大视场[图像(a4)， 9.6mrad]与最小视场[图像(a3)，4.5mrad]之比显示观测角增强到 2.1倍，最大视场[图像(b5)，10.0mrad]与最小视场[图像(b3)， 4.7mrad]之比显示观测角增强到2.1倍。相比之下，由于滤光片上的聚焦光衍射，使用传统的上转换图像处理装置获得的图像在背景中有点偏光。一般情况下，这两种装置在理论和实验上基本相同，只是取决于哪条光束臂携带OAM。

在本发明实例中首次使用波长为1556nm的照明光在和频产生过程中实现上转换边缘检测。在和频产生过程中，携带轨道角动量的泵浦光与入射照明光混合，在PPKTP晶体上刻印螺旋相位板。使得上转换和螺旋相位衬度过程在一个步骤中发生，这是使得该装置更简单和方便的原因。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，包括照明图像光束产生模块(1)、拉盖尔高斯光束产生模块(2)、上转换处理模块(3)、成像模块(4)，在光路构造上，照明图像光束产生模块(1)与拉盖尔高斯光束产生模块(2)同时发出近红外波段的光束并同时进入上转换处理模块(3)进行两束光的和频，使和频产生的光束频率变大到可见光范围，最后在成像模块(4)中输出图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述照明图像光束产生模块包括依次设置的二极管激光器(11)、第一偏振调制组件(12)、空间光调制器(13)、第一计算机(14)。

3.根据权利要求2所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述空间光调制器(13)在相干处理系统下输入非相干光图像或随时间变化的图像，由计算机控制下可在内部光束上附加图像信息。

4.根据权利要求2所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述二极管激光器(11)输出光束的波长范围为1.5μm-10μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述拉盖尔高斯光束产生模块包括按光路依次设置的泵浦激光器(21)、第二偏振调制组件(22)、螺旋相位板(23)、第一4-f系统。

6.根据权利要求5所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述螺旋相位板(23)为透明的介质圆片，厚度随辐角连续光滑的线性变化，旋转一周后，螺旋相位版表面形成一个高度为h的阶梯，拓扑电荷L＝1。

7.根据权利要求1所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述上转换处理模块，包括按光路依次设置第三透镜(31)、二向色镜(32)、PPKTP晶体(33)、与第三透镜(31)构成第二4-f系统的第四透镜(34)。

8.根据权利要求7所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述第三透镜(31)和第四透镜(34)构成上转换第二4-f系统，第三透镜与空间光调制器相距一个焦距f，透镜光心与二向色镜的距离为s₁，二向色镜与PPKTP晶体左端点的距离为s₂，

PPKTP晶体(33)的右端点与第四透镜(34)光心相距一个焦距f，第四透镜(34)光心与电荷耦合器件(42)相距一个焦距f。

9.根据权利要求7所述的一种基于视场和边缘增强的上转换成像处理装置，其特征在于，所述的PPKTP晶体(33)，长度为3mm，孔径为2×1mm²，两端分别涂有524.8nm，1556.3nm和791.8nm的抗反射膜，其准相位匹配周期极化周期为19.4μm，并有自制的温度控制器对PPKTP晶体进行温度控制，温度稳定度为±0.002℃。

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