[发明专利]一种基于编码的频率上转换成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于编码的频率上转换成像系统及方法，所述系统主要由光场调制模块、泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及信号采集模块等部分组成。该方法利用图像的小波分解能够分离图像中的高频分量的特性，通过对目标场景的低分辨率图像进行小波分解，并根据分解所得图像中的高频分量估计目标场景中的细节所在区域，最后在高分辨率下测量这些区域的小波系数并重建图像，实现在保留了图像细节信息的前提下减少测量次数和提高成像速度的目的。

技术领域

本发明属于红外成像技术领域，具体为一种基于编码的频率上转换成像系统及方法。

背景技术

近些年来，高灵敏的红外成像及红外光谱学吸引了越来越多的关注，因为许多分子和化合物的CH键在红外波段具有强烈的吸收跃迁。这使得微弱信号的成像和快速红外光谱学有助于识别复杂分子而无需进行染色和制备样品。随着超连续谱(SC)光源和量子级联激光器(QCL)的出现，取代了传统的红外光学参量振荡器(OPO)或OPA，红外光源的最新进展已经得到了极大地改变。然而，微弱红外探测技术仍然远远落后。目前红外探测器以不同的形式存在，但它们都受到不可避免的暗噪声的限制，暗噪声是由探测器本身有限温度产生的热辐射造成的。因此，需要冷却高灵敏度的红外探测器以降低噪声。这与可见光(VIS)或近红外(NIR)探测器形成强烈对比，因为他们的热辐射(暗噪声)在室温下不太明显。

上转换探测克服了传统中红外探测器的常见困难，可在室温下进行工作，其本质是一个和频生成过程，即微弱的MIR信号与强泵浦激光在非线性介质中相互作用，将MIR信息传输到近红外或可见光波长范围，随后使用在近红外区域工作的高效、灵敏、价格合理的硅基光子探测器或CCD相机来探测上转换信号。频率上转换成像技术发展至今虽然在转换效率、成像速度等方面有了相当大的提升，但是从对频率上转换成像系统的点扩散函数分析中得知，该技术仍然存在一些矛盾：泵浦光功率不变时，泵浦光的束腰直径越小，转换效率越高，同时系统的点扩散函数也越近似二维高斯函数，图像越模糊。Christian Pedersen等人在提出频率上转换成像的数学模型时也指出了这一对矛盾，他们认为尽管使用光束直径较大的泵浦光或者对信号光进行强会聚这两种方法都有利于提高图像分辨率，但是前者会造成转换效率下降，后者受限于非线性晶体的尺寸导致系统视场缩小。他们提出构建频率上转换成像系统时，只能从图像分辨率和转换效率中选择其中之一进行优化，并牺牲另一项未优化的性能。此外，当信号光的光谱范围较窄时，若采用温度扫描的方法获得整个视场的红外图像将大幅度降低成像速度；若使用宽光谱光源产生泵浦光使整个视场内的信号光同时实现相位匹配，则容易产生如同Romain Demur等人的实验结果中的目标模糊的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于编码的频率上转换成像系统，以减少编码频率上转换成像方法的测量次数，提升成像速度。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于编码的频率上转换成像系统，包括：光场调制模块、泵浦光束模块、频率上转换模块、滤波系统以及信号采集模块，所述光场调制模块用于将信号光调整到指定偏振态并对目标场景的多个位置光强进行测量，实现对目标场景的编码功能，所述泵浦光束模块用于提供指定偏振态的泵浦光，所述频率上转换模块包括二向色镜、PPLN晶体、温控设备以及第一4f系统，所述二向色镜用于将信号光以及泵浦光束模块提供的泵浦光合束，使两束光共线传播至PPLN晶体入射面，所述PPLN晶体设置在温控设备内，所述温控设备用于提供恒温环境；所述第一4f系统用于对PLN晶体出射面的和频光色差进行校正，并对图像比例进行缩放；所述滤波系统用于滤除夹杂在和频光中的噪声；所述探测模块用于采集经滤波系统滤除过后的和频光。

优选地，所述光场调制模块包括第一光纤准直镜、第一半波片、分辨率板、第二4f系统、数字微反射镜以及第三4f系统，信号光经第一光纤准直镜准直后，经过第一半波片照射分辨率板，由4f系统将透过分辨率板的图像以适当比例缩放，使数字微反射镜的数字微镜阵列工作区域能容纳目标图像；使用数字微反射镜根据加载的测量矩阵数据调制目标，数字微反射镜反射的被调制光脉冲准直传播，通过第三4f系统进入频率上转换模块。