常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统技术方案

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，本发明专利技术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。

Ultra-high Sensitivity Medium and Long Wave Infrared Imaging Method and System Operating at Room Temperature

【技术实现步骤摘要】
常温运转的超高灵敏度中长波红外成像方法及成像系统
本专利技术属于光学成像技术，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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，本专利技术提供的技术方案是：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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的优点是：1、本专利技术的成像方法，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、本专利技术的成像系统结构简单，可靠性好。3、本专利技术图像采集装置可为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、本专利技术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、本专利技术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为本专利技术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为本专利技术常温运转的超高灵敏度中长波红外成像系统的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄楠，刘红军，王昭路，池娇，张永斌，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61