一种超灵敏红外高分辨三维成像技术

摘要

本发明公开了一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，包括时域脉冲同步光源产生模块、延时模块、信号光扩束模块、泵浦光准直模块、探测器成像模块。由时域脉冲同步光源产生模块产生时域脉冲同步的成像信号光与泵浦光，信号光经过信号光扩束模块进行光斑扩大，后照射至成像物体，其漫反射的光经探测器成像模块的凸透镜收集于CCD上。泵浦光经过延时模块，后经准直模块进行光束准直，再进入至CCD，通过延时模块使泵浦光脉冲与信号光脉冲时域脉冲重合从而被CCD所探测，实现基于非简并双光子吸收的超灵敏成像，通过控制延时模块扫描使成像物体漫反射出的不同时间的脉冲与泵浦脉冲进行时域脉冲重合从而获得高分辨的三维成像结果。

权利要求

1.一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，该系统包括：时域脉冲同步光源产生模块(1)、信号光(2)、泵浦光(3)、延时模块(4)、控制模块(5)、信号光扩束模块(6)、泵浦光准直模块(7)、反射镜(8)、成像物体(9)、凸透镜(10)、CCD(11)；其中，由时域脉冲同步光源产生模块(1)产生时域脉冲同步的成像信号光(2)与泵浦光(3)，信号光(2)经过扩束模块(6)进行光斑扩大，后照射至成像物体(9)，其漫反射的光经凸透镜(10)收集于CCD(11)上，泵浦光(3)经过延时模块(4)，后经准直模块(7)进行光束准直，通过反射镜(8)反射至CCD(11)上，通过控制模块(5)控制延时模块(4)使泵浦光脉冲与信号光脉冲时域脉冲重合地被CCD(11)所探测实现基于长波泵浦的非简并双光子吸收的超灵敏成像，通过控制模块(5)控制延时模块(4)扫描使成像物体(9)不同位置漫反射出的脉冲与泵浦脉冲进行时域脉冲重合从而获得高时间分辨的三维成像结果。

2.如权利要求1所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于所述信号光(2)为脉冲红外光，所述泵浦光(3)为长波红外光脉冲，信号光与泵浦光需满足以下条件：第一、 第二、 第三、 其中ωs为红外信号光子的频率，ωp为长波红外泵浦光子的频率，Eg为硅基半导体材料的禁带宽度。

3.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于所述时域脉冲同步光源产生模块利用一定波长的脉冲光在PPLN(周期性极化铌酸锂晶体)上发生自发参量下转换从而得到成像信号光与泵浦光，通过改变PPLN的反转周期及温度可以获得不同波长的成像信号光与泵浦光。

4.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于延时模块(4)包括步进电机、反射镜、三维调整架，目的在于改变泵浦光脉冲到达CCD的时间，从而与成像物体(9)不同位置漫反射出的光脉冲进行时域匹配，实现时间高分辨成像。

5.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于延时模块由控制模块(5)驱动工作，控制模块(5)为计算机控制程序；或延时模块通过手动延时调节。

6.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于扩束模块(6)为红外成像信号光的扩束模块，根据信号光的波长及成像物体(9)的大小选择合适材料及焦距的扩束透镜组，使信号光能够覆盖成像物体(9)。

7.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于准直模块(7)为红外成像泵浦光的准直模块，根据泵浦光的波长选择合适材料的扩束透镜组以减少损耗，使最终进入探测器的光斑能够覆盖住信号光。

8.如权利要求1中所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于所述的反射镜(8)用于改变光路走向。

9.一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述成像方法应用于权利要求1至8中任意一项所述的超灵敏红外高分辨三维成像系统；包括以下步骤：利用非简并双光子吸收技术提高探测灵敏度、以长波红外光作为泵浦以压制低阶光子吸收噪声、利用同步脉冲探测获得高纵向分辨能力。

10.如权利要求9所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述的非简并双光子吸收技术，即使用不同波长的光在探测器材料表面发生双光子吸收，相比于简并的双光子吸收其吸收系数更高，具有灵敏的探测效率。

11.如权利要求9所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述的长波红外光作为泵浦即选择低于半导体材料中间带隙波长的光作为泵浦来消除低阶光子吸收背景噪声。

12.如权利要求9所述的一种超灵敏红外高分辨三维成像方法，其特征在于所述的利用同步超快脉冲获得高纵向分辨能力，即利用信号脉冲与不同时间到达探测器的泵浦脉冲发生非简并双光子吸收，从而反映出成像物体不同位置的纵向深度信息， 同时，超快脉冲具有更高的峰值功率，进一步提升非简并双光子吸收效率。

说明书

一种超灵敏红外高分辨三维成像技术

技术领域

[0001] 本发明涉及红外光子探测与成像领域，尤其涉及一种超灵敏红外高分辨三维成像技术，可用于三维形貌测量、红外荧光成像、燃烧场激光诊断等。

背景技术

[0002] 红外成像具有抗干扰能力强、无需切片处理、可进行非接触式信息采集等优点，特别是红外三维成像技术，能够高速获取被测物的三维形貌特征与表面反射特性，为三维形貌测量、红外荧光成像、燃烧场激光诊断以及脑功能成像等众多应用提供了重要支撑。

[0003] 当前，红外探测与成像性能通常受限于红外光电探测器的固有特性。为了获得红外波段低能量光子的有效响应，红外探测器通常采用带隙较窄的半导体材料，因此，在室温条件下红外探测器一般具有较大的暗噪声，极大地限制了探测与成像的灵敏度。通过液氮等低温制冷方式虽然可以一定程度上缓解热辐射与暗电流导致的探测器暗噪声，但同时昂贵与庞大的制冷系统又给实际应用过带来了诸多不便。此外，包括如探测器阵列和电荷耦合器件（CCD）在内的现存红外成像器件，其探测像元数目和像元尺寸相对于硅基CCD来说还有一定差距。通常，近红外相机像素较少，只有几十万个像素点，对应的视界较窄，空间分辨率有限。得益于成熟的硅光子集成技术，硅基CCD的像素点可达百万以上，能够获得非常宽的成像范围，且成像分辨率可达微米量级。更为重要的是，电子倍增的硅基CCD（EMCCD）还兼具极高的灵敏度，甚至可以达到单光子的响应水平。总体而言，硅基探测与成像器件具有优越的探测性能，如探测灵敏度高、响应速度快等，且商用化成熟，在成本上更具优势。

[0004] 但是，硅基材料受限于其较宽的带隙，只能响应可见光波段。为了突破响应波段的限制，近年来非线性频率上转换技术备受关注，其通过非线性光学效应，将红外信号高效地转换至可见光波段，从而可以充分利用性能卓越的硅基探测器，以此来规避当前红外探测与成像器件性能不足的瓶颈。现有报道的红外上转换成像技术大多基于非线性晶体，借助和频或四波混频等非线性过程，获得红外光场的有效转换。因此，该技术需要满足严格的相位匹配条件，导致光学系统调节复杂、探测响应带宽较窄、探测视场角度受限等缺点。

[0005] 本发明公开了一种超灵敏红外高分辨三维成像技术，有望应用于三维形貌测量、红外荧光成像和燃烧场激光诊断等领域。该技术结合了超快双色脉冲产生技术、光学脉冲同步门控技术和长波泵浦非简并双光子探测技术。一方面，红外光脉冲信号在中红外长波泵浦场的作用下，在硅基EMCCD中便能获得高灵敏的响应。长波泵浦技术不仅能够显著增强双光子吸收效率，而且还能完全去除强泵浦场简并双光子吸收引致的背景噪声，从而极大提升了红外成像的信噪比与动态范围。由于所涉及的非线性过程是基于探测器自身材料中电荷载流子的产生和复合，因此该三维成像技术不受相位匹配的限制，具备宽带响应窗口和大成像视野的特点。另一方面，同步的泵浦脉冲激发能够提供高精度的探测时间门控，从而突破传统探测与成像器件较大的时间抖动，获得高精度的纵向空间分辨率，结合EMCCD具有的高灵敏、多像素、小像元优点，最终可以实现红外波段超灵敏的高分辨三维成像。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对现有技术的不足，如光学系统调节复杂、探测响应带宽较窄、探测视场角度受限等，提出了一种红外波段超灵敏高分辨三维成像技术，该技术结合了超快双色脉冲产生技术、长波泵浦非简并双光子探测技术和光学脉冲同步门控技术。该成像技术突破了硅基探测器响应波段的限制，极大提升红外成像的信噪比与动态范围，不受相位匹配的限制且具备宽带响应窗口、大成像视野、高灵敏度及高精度的纵向分辨率的优点。有望应用于三维形貌测量、红外荧光成像和燃烧场激光诊断等领域。

[0007] 本发明提供了一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，其特征在于，包括：时域脉冲同步光源产生模块、延时模块、信号光扩束模块、泵浦光准直模块、探测器成像模块。

[0008] 优选地，其特征在于三维成像过程如下：

[0009] 由时域脉冲同步光源产生模块产生时域脉冲同步的成像信号光与泵浦光，信号光经过信号光扩束模块进行光斑扩大，后照射至成像物体，其漫反射的光经探测器成像模块的凸透镜收集于CCD上；泵浦光经过延时模块，后经准直模块进行光束准直，再进入至CCD，通过延时模块使泵浦光脉冲与信号光脉冲时域脉冲重合从而被CCD所探测，实现基于非简并双光子吸收的超灵敏成像，通过控制延时模块扫描使成像物体漫反射出的不同时间的脉冲与泵浦脉冲进行时域脉冲重合从而获得高分辨的三维成像结果。

[0010] 优选地，其特征在于所述时域脉冲同步光源产生模块利用一定波长的脉冲光在PPLN（周期性极化铌酸锂晶体）上发生自发参量下转换从而得到成像信号光与泵浦光，通过改变PPLN的反转周期及温度可以获得不同波长的成像信号光与泵浦光。

[0011] 优选地，其特征在于，包括以下步骤：

[0012] 利用非简并双光子吸收技术提高探测灵敏度、以长波红外光作为泵浦以压制低阶光子吸收噪声、利用同步脉冲探测获得高纵向分辨能力。

[0013] 优选地，其特征在于所述的非简并双光子吸收技术，即使用不同波长的光在探测器材料表面发生双光子吸收，相比于简并的双光子吸收其吸收系数更高，具有灵敏的探测效率。

[0014] 优选地，其特征在于所述的长波长光作为泵浦即选择低于半导体材料中间带隙波长的光作为泵浦来消除低阶光子吸收背景噪声。

[0015] 优选地，其特征在于所述的利用同步脉冲探测获得高纵向分辨能力即利用信号脉冲与不同时间到达探测器的泵浦脉冲发生非简并双光子吸收，从而反映出成像物体不同位置的纵向深度信息。

[0016] 本发明的有益效果

[0017] 本发明对红外光的探测采用双光子吸收技术，不仅能够打破探测器对波长选择的局限性，还能通过滤波器件对探测器探测范围内的噪声进行滤除，能够得到更高的噪声等效功率，具有室温操作、无相位匹配要求、宽带响应窗口等优点；采用非简并的双光子吸收进行探测成像，以长波红外光作为泵浦光，即噪声来源于三光子吸收甚至四光子吸收。噪声相比于传统探测方案有数量级上的下降，同时，信号光探测灵敏度比起简并双光子吸收的方案又有很大的提升，探测的动态范围大；采用商业化成熟的硅基CCD，其具有高灵敏度，高分辨率，多像素，高带隙等特点，易于获得高质量的成像结果；采用脉冲同步的信号光与泵浦光进行非简并双光子吸收探测。探测器对单个脉冲的探测有数十皮秒量级的时间抖动，而此发明中的信号光只有在脉冲同步的泵浦光作用下才能够被探测到，通过改变泵浦光的延时可以使泵浦光与不同时间到达探测器的信号光发生非简并双光子吸收，从而实现了时间分辨的成像结果。而信号光与泵浦光的脉冲宽度决定了时间分辨的精度；采用的时域脉冲同步模块利用短脉宽激光在晶体中的非线性频率过程即自发参量下转换获得脉冲时域同步的成像信号光与泵浦光，通过调节入射晶体的脉冲光波长、晶体的反转周期、晶体的温度即可获得不同波长的成像信号光与泵浦光。

[0018] 本发明的方案还可以拓展用于高光谱成像。成像样品或物体对不同波长的光吸收率不同，若信号光的波长可调，则通过对成像样品在不同信号光下的成像结果可分析出成像样品不同位置的光谱信息。

附图说明

[0019] 图1为本发明长波泵浦非简并双光子吸收原理示意图。

[0020] 图2为本发明超灵敏红外高分辨三维成像系统示意图，其中时域脉冲同步光源产生模块1、信号光2、泵浦光3、延时模块4、控制模块5、信号光扩束模块6、泵浦光准直模块7、反射镜8、成像物体9、凸透镜10、CCD11。

[0021] 图3为本发明基于非简并双光子吸收的超灵敏红外高分辨三维成像系统模块示意图，其中，1030 nm脉冲光源1‑1，凸透镜镜1‑2，PPLN晶体1‑3，CaF2凸透镜1‑4，二向色镜1‑5，二向色镜1‑6，焦距为10 mm的平凹透镜6‑1，反射镜4‑1、电机4‑2，CaF2凸透镜7‑1、CaF2凸透镜7‑2。

具体实施方式

[0022] 超快双色脉冲激光产生技术，即利用SESAM锁模、NALM锁模等方法产生短脉宽激光，后配合色散补偿方法如棱镜对压缩脉冲、啁啾镜压缩脉冲得到超快激光。使此超快脉冲激光发生自发参量下转换后，将得到超快双色脉冲激光，即用于后续成像的成像信号光与成像泵浦光。一方面，超快双色脉冲激光拥有更高的峰值功率，极大提升了探测器的非简并双光子吸收效率。另一方面，超快双色脉冲激光为成像方案提供了更高精度的纵向分辨率。

[0023] 长波泵浦非简并双光子吸收技术，如图1长波泵浦非简并双光子吸收示意图所示，探测器内发生的双光子吸收可以视为〖ℏω〗_p+〖ℏω〗_s(〖ℏω〗_p+〖ℏω〗_s>E_g，E_g为Si的禁带宽度)能级的量子激发，其中ω_s为红外信号光子的频率，ω_p为长波红外泵浦光子的频率。探测器中的价带电子吸收光频率为ω_s(〖ℏω〗_s

[0024] 光学脉冲同步门控技术，即探测器对单个脉冲的探测通常有数十皮秒量级的时间抖动，而本发明方案中成像信号光脉冲只有在泵浦光脉冲泵浦下才能被探测器所高效探测，实现了时间分辨的成像功能。而信号光与泵浦光的脉冲宽度决定了时间分辨的精度，如通过超快双色脉冲激光产生技术产生的成像信号光与泵浦光的脉宽为10 fs，则成像纵向分辨精度可达1.5 μm，突破了传统探测器与成像器件较大的时间抖动。

[0025] 基于上述技术优势，本发明提出了一种超灵敏红外高分辨三维成像系统，如图2超灵敏红外高分辨三维成像系统示意图所示由时域脉冲同步光源产生模块1、信号光2、泵浦光3、延时模块4、控制模块5、信号光扩束模块6、泵浦光准直模块7、反射镜8、成像物体9、凸透镜10、CCD11组成。

[0026] 本发明是这样实现的：由时域脉冲同步光源产生模块1产生时域脉冲同步的成像信号光2与泵浦光3，信号光2经过扩束模块6进行光斑扩大，后照射至成像物体9，其漫反射的光经凸透镜10收集于CCD11上。泵浦光3经过延时模块4，后经准直模块7进行光束准直，通过反射镜8反射至CCD11上，通过控制模块5控制延时模块4使泵浦光脉冲与信号光脉冲时域脉冲重合地被CCD11所探测实现基于非简并双光子吸收的超灵敏成像，通过控制模块5控制延时模块4扫描使成像物体9不同位置漫反射出的脉冲与泵浦脉冲进行时域脉冲重合从而获得高时间分辨的三维成像结果。

[0027] 所述方案中的时域脉冲同步光源产生模块1目的在于产生时域脉冲同步的成像信号光2与泵浦光3。其可以通过基于非线性过程的自发参量下转换实现，如高功率1030 nm脉冲光源经PPLN（周期极化铌酸锂晶体），通过相位、温度等因素的匹配实现自发参量下转换产生1550 nm的红外成像信号光与3070 nm的红外成像泵浦光。该模块也可通过脉冲同步的双色光源进行非线性差频过程，得到长波长的红外成像泵浦光，再将同源的同步光源作为红外成像信号光。

[0028] 所述方案中的信号光2为脉冲红外光，所述方案中的泵浦光3为长波长脉冲红外光，信号光与泵浦光如图1非简并双光子吸收示意图所示需满足以下条件：1、〖ℏω〗_p+〖ℏω〗_s>E_g；2、〖ℏω〗_s

[0029] 延时模块4可以通过步进电机、反射镜、三维调整架等器件实现，目的在于改变泵浦光脉冲到达CCD的时间，从而与成像物体9不同位置漫反射出的光脉冲进行时域匹配，实现时间高分辨成像。

[0030] 控制模块5为计算机控制程序，驱动延时模块工作。此模块也可以被手动延时调节的方式替代。

[0031] 扩束模块6为红外成像信号光的扩束模块，根据信号光的波长及成像物体9的大小选择合适材料及焦距的扩束透镜组，使信号光能够覆盖成像物体9。

[0032] 准直模块7为红外成像泵浦光的准直模块，根据泵浦光的波长选择合适材料的扩束透镜组以减少损耗，如中红外光可选择合适焦距的CaF2透镜，使最终进入探测器的光斑能够覆盖住信号光。

[0033] 所述的反射镜8可以是镀金镜、镀银镜，其对红外波段的反射率大，损耗小，用于改变光路走向。

[0034] 所述的成像物体9为待成像物体。

[0035] 所述凸透镜10用于实现在CCD11上对成像物体9进行单透镜成像。成像物体9与凸透镜10的距离d1，CCD11与凸透镜10的距离d2，凸透镜10的焦距f需满足单透镜成像公式[0036] 1/d_1 +1/d_2 =1/f

[0037] 所述的CCD11为硅基CCD。信号光在泵浦光作用下于半导体材料上发生非简并双光子吸收从而被探测成像。

[0038] 以下结合图2、3，通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业人员的理解：

[0039] 图2给出了基于非简并双光子吸收的超灵敏红外高分辨三维成像系统实施例，该实施例的部分模块具体内容由图3给出。该系统由时域脉冲同步光源产生模块1、信号光2、泵浦光3、延时模块4、控制模块5、信号光扩束模块6、泵浦光准直模块7、反射镜8、成像物体9、凸透镜10、CCD11组成。

[0040] 其中时域脉冲同步光源产生模块1的具体内容由图3给出，包括1030 nm脉冲光源1‑1，凸透镜镜1‑2，PPLN晶体1‑3，CaF2凸透镜1‑4，二向色镜1‑5，二向色镜1‑6。1030 nm脉冲光源1‑1的脉宽小、功率高更易于发生自发参量下转换非线性过程。实施例中1030 nm脉冲光源1‑1功率在瓦量级，脉宽为10 fs，其发出的脉冲光经过焦距为75 mm的凸透镜1‑2聚焦于PPLN晶体1‑3上产生1.55μm成像红外信号光2与3.07 μm成像红外泵浦光3，PPLN晶体1‑3极化周期为30.3μm，温度为48.8 ℃。二向色镜1‑5对3.07μm透过，对1.55μm及1030 nm反射。
二向色镜1‑6对1030 nm透过，对1.55 μm反射。通过二向色境1‑5、二向色镜1‑6后实现了
1.55 μm、3.07 μm、1030 nm光束空间分离，便于后续成像操作。若改变脉冲光源的波长、晶体温度、晶体反转周期，将得到不同波长的成像信号光与泵浦光，下表给出了1030 nm及
1064 nm脉冲光源自发参量下转换产生的成像信号光与泵浦光波长调谐范围。

[0041] 1.55μm信号光经扩束模块6进行光束扩大，并照射至成像物体表面，实施例中扩束模块6即焦距为10 mm的平凹透镜6‑1。信号光于成像物体表面发生漫反射，由焦距为50 mm的凸透镜10收集至硅基CCD11上。

[0042] 泵浦光3经过延时模块4及控制程序5实现在CCD11上与信号光2脉冲时域重合，延时模块4由反射镜4‑1、电机4‑2构成，其中两面反射镜固定于电机上，通过移动电机改变泵浦光3到达CCD11的时间。经延时模块4后泵浦光3经准直模块7进行光束变化，使到达CCD11的泵浦光斑能够覆盖住信号光2。准直模块7由CaF2凸透镜7‑1、CaF2凸透镜7‑2构成。实施例中CaF2凸透镜7‑1的焦距为50 mm，CaF2凸透镜7‑2的焦距为100 mm。

[0043] 最后，CCD11感光面上的1550 nm信号光经3070 nm泵浦光泵浦发生非简并双光子吸收从而被CCD11灵敏探测且成像，控制延时模块4使成像信号光脉冲与不同时间到达探测器的泵浦光脉冲时域匹配以获得成像物体9不同位置的纵向深度信息，从而实现了三维成像。

[0044] 表1：自发参量下转换产生双色脉冲波长调谐范围表

[0045]

[0046] 在本发明及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本发明所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本发明，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。