CN105242280B - 一种基于光学参量过程的关联成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学参量过程的关联成像装置和方法，本发明对探测激光进行空间光强调制，使空间强度随机分布的激光照射目标物体；对收集到的目标反射或透射的信号通过光学参量转换模块进行增强或频率转换，采用桶探测器探测该信号，增加微弱信号的探测灵敏度；对经过光学参量转换后的激光信号进行关联成像，得到目标成像结果。本发明将关联成像与光学参量转换相结合，具有高灵敏度、高分辨率、可进行频率转换的优点，可同时提供目标物体的横向图像信息和纵向距离信息。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更具体涉及一种基于光学参量过程的关联成像装置和方法。
背景技术
关联成像，又称鬼成像，是一种全新的成像机制。传统光学成像是利用光场的一阶关联(强度、相位)获得信息，而关联成像是利用光场的二阶或高阶关联。关联成像首先是利用纠缠双光子对实现的，近几年的理论和实验研究表明热光源或赝热光源同样可以实现关联成像。由于赝热光容易获得，因此与纠缠光源相比，赝热光源关联成像具有更为广阔的应用前景。
关联成像首先需要对激光进行空间光强调制，然后把强度随机分布的激光分为两束，其中一束为参考光，直接照射参考探测器，不包含目标信息。参考探测器一般是阵列探测器，探测和记录参考光的强度分布。另外一束为信号光，照射目标物体，包含目标信息，由点探测器探测总强度。最后，参考光强度分布与信号光总强度进行关联处理，得到成像结果。另外，参考光的强度分布可以由空间光强调制时所预设的调制信息计算得到，计算得到的激光强度分布与信号光总强度进行关联计算，也能够得到成像结果，这种方法称为计算关联成像。采用计算关联成像方法，可以去掉参考探测器，并且不需要对激光进行分束。
目前，关联成像接收端主要采用雪崩光电二极管(APD)点探测器进行信号增强，尽管APD的增益较大，但基于电学增益，其放大过程受背景光、暗电流、探测器带宽等因素影响显著，影响了整体的表现。
光学参量放大(OPA)，作为典型的二阶非线性光学现象，可直接对微弱光学信号进行增强。光学参量放大工作原理是将频率为ωp的较强的高频光(泵浦光)和频率为ωs的较弱的低频光(信号光)同时射入非线性晶体，由于非线性介质的耦合作用，泵浦光的能量会部分转移，从而增强信号光强度，并产生频率为ωi的闲频光。泵浦光、信号光、闲频光三者的频率满足ωp＝ωs+ωi，如果ωs<ωi，即实现频率上转换，例如，可将红外波段的信号光频率上转换至可见光波段，从而将回波从探测器量子效率较低的波段转换至量子效率高的波段。目前已有的光学参量放大用作图像增强的技术中，一种方案是采用点探测方式，但须逐点扫描，成像速度慢；另一种方案是采用面探测方式，但由于非线性光学晶体横截面小，且受接收带宽的限制，只能实现小视场范围的成像。所以，目前已有的基于光学参量放大直接进行图像增强的技术和方法仅适用于实验室环境。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高关联成像对微弱信号的探测灵敏度，并且获得不同纵深位置的目标物体信息，实现微弱反射光或透射光下良好的关联成像效果。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光学参量过程的关联成像装置，所述装置包括探测激光模块、空间光强调制模块、光学参量转换模块、泵浦激光模块、光参量同步控制模块、桶探测器、关联处理模块；所述探测激光模块包括发射激光器、整形光学元件；所述泵浦激光模块包括泵浦激光器和泵浦激光整形光学元件；所述光学参量转换模块包括非线性光学元件、输入耦合镜、输出耦合镜、光束收集器；
所述探测激光模块的发射激光器发射的激光经过所述整形光学元件整形后进入所述空间光强调制模块进行空间光强调制，使激光强度随机分布，并由空间光强调制模块上所预设的调制信息计算得到目标物体处的激光强度分布，所述强度随机分布的激光照射目标物体经反射或透射后，进入所述光学参量转换模块；所述泵浦激光模块的泵浦激光器发出的泵浦激光经泵浦激光整形光学元件整形后，与所述目标物体反射或透射的激光同时到达所述光学参量转换模块的输入耦合镜，然后经过所述非线性光学元件进行光学参量放大或光学频率转换后由所述输出耦合镜输出到所述桶探测器，进行激光强度的测量，并将探测结果传送给所述关联处理模块；残余的泵浦光和残余的所述目标物体反射或透射的激光由所述光束收集器收集；
所述光参量同步控制模块分别与所述发射激光器和所述泵浦激光器连接，所述关联处理模块分别与所述空间光强调制模块和所述桶探测器连接，所述关联处理模块对计算得到的目标物体处的激光强度分布以及所述桶探测器探测到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。
对应上述装置进行关联成像的方法，包括以下步骤：
S1、对所述探测激光模块发射的激光进行空间光强调制，使激光强度随机分布，得到探测激光；
S2、由所述空间光强调制模块上所预设的调制信息计算得到目标物体处的激光强度分布；
S3、所述探测激光照射目标物体；
S4、对所述探测激光和所述泵浦激光模块发射的泵浦激光进行精确延时控制；
S5、由所述光学参量转换模块对目标物体的反射光信号或透射光信号进行光学参量放大或光学频率转换；
S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
S7、将步骤S2得到的所述目标物体处的激光强度分布与所述步骤S6得到的激光总强度进行关联计算，得到成像结果。
优选地，所述装置还包括分束器和参考探测器；
所述分束器位于所述空间光强调制模块的后方，经过所述空间光强调制模块进行空间光强调制的激光强度随机分布，然后进入所述分束器分成两束，其中一束激光照射目标物体，经反射或透射后，进入所述光学参量转换模块；另一束激光进入所述参考探测器，由所述参考探测器探测和记录激光强度分布，并发送给所述关联处理模块；
所述关联处理模块分别与参考探测器和所述桶探测器连接，对所述参考探测器探测的激光强度分布以及所述桶探测器探测到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。
对应上述装置进行关联成像的方法，包括以下步骤：
S1、对所述探测激光模块发射的激光进行空间光强调制，使激光强度随机分布，得到探测激光；
S2、由所述分束器将所述探测激光分为两束，一束作为信号光照射所述目标物体，一束作为参考光照射所述参考探测器；
S3、探测和记录所述参考光的强度分布；
S4、对所述探测激光和所述泵浦激光模块发射的泵浦激光进行精确延时控制；
S5、由所述光学参量转换模块对目标物体的反射光信号或透射光信号进行光学参量放大或光学频率转换；
S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
S7、将步骤S3得到的激光强度分布与所述步骤S6得到的激光总强度进行关联计算，得到成像结果。
优选地，所述的光学参量转换模块实现目标物体反射光信号或透射光信号的光学参量放大，同时实现频率上转换；
或实现目标物体反射光信号或透射光信号的同频率光学参量放大；
或通过和频过程将目标物体反射光信号或透射光信号频率转换至探测器量子效率较高的波段；
或通过差频过程将目标物体反射光信号或透射光信号频率转换至探测器量子效率较高的波段。
优选地，所述的空间光强调制模块为旋转的毛玻璃、数字微镜阵列、空间光调制器、激光光纤组束或激光投影仪中的一种。
优选地，所述的发射激光器的运转模式为连续运转或脉冲运转，对于所述脉冲运转，脉宽可以是毫秒、微秒、纳秒、皮秒或飞秒中的一种；
所述泵浦激光器的运转模式为连续运转或脉冲运转，对于所述脉冲运转，脉宽可以是毫秒、微秒、纳秒、皮秒或飞秒中的一种。
优选地，所述非线性光学材料为块状晶体结构、波导结构或者光纤结构。
优选地，所述光参量同步控制模块通过对所述的发射激光器和所述的泵浦激光器进行延时控制，实现距离选通，即通过改变时间延迟得到不同纵深位置的目标图像。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于光学参量过程的关联成像装置和方法，通过应用光学参量放大到传统的关联成像装置中，探测灵敏度可达单光子水平，从而大幅降低对光电探测器的增益要求，配合点探测器接收目标物体反射或透射回来的回波信号，其响应速度高于面探测方法，实现更高的采样频率；另外光学参量转换模块可实现频率上转换，可选择在红外波段的大气窗口波长的激光照射目标物体，实现传输效率最大化，将回波从探测器量子效率较低的波段转换至量子效率高的波段，以实现更高效的回波信号接收；通过同步控制模块对探测激光和泵浦激光进行精确延时控制，可实现光学距离选通，选通精度可达厘米—毫米级，一方面可降低环境背景光影响，另一方面还可以得到不同纵深位置的目标物体信息；总之本发明将关联成像与光学参量过程相结合，具有光学信号增强、高灵敏度、频率转换和距离选通的优点，可同时提供目标物体的横向图像和纵向距离信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个较佳实施例一的一种基于光学参量过程的关联成像装置的结构示意图；
图2为本发明的一个较佳实施例二的一种基于光学参量过程的关联成像装置的结构示意图；
图3为本发明的一个较佳实施例的三的一种基于光学参量过程的关联成像装置的结构示意图；
图4为本发明的一个较佳实施例一的一种基于光学参量过程的关联成像装置对应的方法的流程图；
图5为本发明的一个较佳实施例二的一种基于光学参量过程的关联成像装置对应的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
图1为本发明的一个较佳实施例一的一种基于光学参量过程的关联成像装置的结构示意图；所述装置包括探测激光模块1、空间光强调制模块2、光学参量转换模块6、泵浦激光模块7、光参量同步控制模块8、桶探测器9、关联处理模块10；所述探测激光模块1包括发射激光器100、整形光学元件101；所述泵浦激光模块7包括泵浦激光器700和泵浦激光整形光学元件701；所述光学参量转换模块6包括非线性光学元件600、输入耦合镜601、输出耦合镜602、光束收集器603。
所述探测激光模块1的发射激光器100发射的激光经过所述整形光学元件101整形后进入所述空间光强调制模块2进行空间光强调制，使激光强度随机分布，并由空间光强调制模块2上所预设的调制信息计算得到目标物体处的激光强度分布，所述强度随机分布的激光照射目标物体5经反射后，进入所述光学参量转换模块6；所述泵浦激光模块7的泵浦激光器700发出的泵浦激光经泵浦激光整形光学元件701整形后，与所述目标物体5反射的激光同时到达所述光学参量转换模块6的输入耦合镜601，然后经过所述非线性光学元件600后由所述输出耦合镜602输出到所述桶探测器9，进行激光强度的测量，并将探测结果传送给所述关联处理模块10；参量放大后的信号光和残余的泵浦光由所述光束收集器603收集；所述光参量同步控制模块8分别与所述发射激光器100和所述泵浦激光器700连接，对发射激光器100和泵浦激光器700进行精确延时控制，可以实现距离选通，得到不同纵深位置的目标物体信息；所述关联处理模块10分别与所述空间光强调制模块2和所述桶探测器9连接，对计算得到的激光强度分布以及所述桶探测器9探测到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。
所述输入耦合镜601对泵浦光高反射率，对信号光高透过率，所述输出耦合镜602对泵浦光、信号光高反射率，对闲频光高透过率。所述的空间光强调制模块2为数字微镜阵列(DMD)。所述泵浦激光模块7为光参量放大装置6提供泵浦激光。所述非线性光学材料600为块状BBO晶体。
本实施例的探测激光模块1发射的激光信号光波长为1.5μm，属于大气窗口，大气损耗较低。泵浦激光器700输出波长为532nm激光，光学参量转换模块6可以将目标物体5的微弱反射光进行光参量放大，增加光能量；同时，实现信号光的频率上转换，根据共轭产生特性，输出闲频光波长为824nm，其中红外激光转换至可见光波段，从而将回波从探测器量子效率较低的波段转换至量子效率高的波段。
应用上述装置进行关联成像的方法，包括以下步骤，如图4所示：
S1、对所述探测激光模块1发射的激光进行空间光强调制，使激光强度随机分布，得到探测激光；
S2、由所述空间光强调制模块2上所预设的调制信息计算得到目标物体处的激光强度分布；
S3、所述探测激光照射目标物体；
S4、对所述探测激光和所述泵浦激光模块7发射的泵浦激光进行精确延时控制；
S5、由所述光学参量转换模块6对目标物体的反射光信号或透射光信号进行光学参量放大或光学频率转换；
S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
S7、将步骤S2得到的所述目标物体处的激光强度分布与所述步骤S6得到的激光总强度进行关联计算，得到成像结果。
图2为本发明的一个较佳实施例二的一种基于光学参量过程的关联成像装置；与实施例一不同的是，本实施例的装置还包括束器3和参考探测器4。所述分束器3位于所述空间光强调制模块2的后方，经过所述空间光强调制模块2进行空间光调制的的激光强度随机分布，然后进入所述分束器3分成两束，其中一束激光照射目标物体5经反射后，进入所述光学参量转换模块6；另一束激光进入所述参考探测器4，由所述参考探测器4探测和记录激光强度，并发送给所述关联处理模块10。所述关联处理模块10分别与参考探测器4和所述桶探测器9连接，对所述参考探测器4探测的激光强度分布以及所述桶探测器9探测到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。
本实施例中所述探测激光模块1的发射激光器100发射532nm可见波段激光；空间光强调制模块2主要由旋转的毛玻璃构成。光学参量转换模块6的非线性光学晶体600为块状LBO晶体。泵浦激光模块7的泵浦激光器700发出的355nm激光，为光学参量转换装置6提供泵浦激光。
应用上述装置进行关联成像的方法，包括以下步骤，如图5所示：
S1、对所述探测激光模块1发射的激光进行空间光强调制，使激光强度随机分布，得到探测激光；
S2、由所述分束器3将所述探测激光分为两束，一束作为信号光照射所述目标物体5，一束作为参考光照射所述参考探测器4；
S3、探测和记录所述参考光的强度分布；
S4、对所述探测激光和所述泵浦激光模块7发射的泵浦激光进行精确延时控制；
S5、由所述光学参量转换模块6对目标物体的反射光信号或透射光信号进行光学参量放大或光学频率转换；
S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
S7、将步骤S3得到的激光强度分布与所述步骤S6得到的激光总强度进行关联计算，得到成像结果。
图3为本发明的一个较佳实施例的三的一种基于光学参量过程的关联成像装置的结构示意图；本实施例的装置与实施例二相同，不同之处在于，所述光学参量转换模块6收集到的是目标物体透射的激光信号，而非反射的激光信号。光学参量转换模块6的非线性光学晶体600为波导结构PPLN晶体。本实施例的探测激光模块1发射的激光信号光波长为1.5μm，属于大气窗口，大气损耗较低。泵浦激光器700输出波长为824nm激光。二者在非线性光学晶体600内进行和频，产生532nm激光，将红外激光转换至可见光波段，从而将探测激光信号从探测器量子效率较低的波段转换至量子效率高的波段。对于本实施例的透射成像采用的关联成像的计算方法与实施例二的关联成像的计算方法相同，这里不再赘述。
对于透射成像，同样可以采用实施例一的装置，不采用分束器3和参考探测器4。目标物体处的激光强度分布由空间光强调制模块2所预设的调制信息计算得到。关联处理模块10对计算得到的激光强度分布和桶探测器9探测得到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。关联成像的方法与实施例一的关联成像的方法相同，这里不再赘述。
本发明将关联成像与光学参量转换相结合，具有光学信号增强、高灵敏度、频率转换和距离选通的优点，可同时提供目标物体的横向图像和纵向距离信息。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于光学参量过程的关联成像装置，其特征在于，所述装置包括探测激光模块(1)、空间光强调制模块(2)、光学参量转换模块(6)、泵浦激光模块(7)、光参量同步控制模块(8)、桶探测器(9)、关联处理模块(10)；所述探测激光模块(1)包括发射激光器(100)、整形光学元件(101)；所述泵浦激光模块(7)包括泵浦激光器(700)和泵浦激光整形光学元件(701)；所述光学参量转换模块(6)包括非线性光学元件(600)、输入耦合镜(601)、输出耦合镜(602)、光束收集器(603)；
所述探测激光模块(1)的发射激光器(100)发射的激光经过所述整形光学元件(101)整形后进入所述空间光强调制模块(2)进行空间光强调制，使激光强度随机分布，并由空间光强调制模块(2)上所预设的调制信息计算得到目标物体处的激光强度分布，所述强度随机分布的激光照射目标物体(5)经反射或透射后，进入所述光学参量转换模块(6)；所述泵浦激光模块(7)的泵浦激光器(700)发出的泵浦激光经泵浦激光整形光学元件(701)整形后，与所述目标物体(5)反射或透射的激光同时到达所述光学参量转换模块(6)的输入耦合镜(601)，然后经过所述非线性光学元件(600)进行光学参量放大或光学频率转换后由所述输出耦合镜(602)输出到所述桶探测器(9)，进行激光强度的测量，并将探测结果传送给所述关联处理模块(10)；残余的泵浦光和残余的所述目标物体(5)反射或透射的激光由所述光束收集器(603)收集；
所述光参量同步控制模块(8)分别与所述发射激光器(100)和所述泵浦激光器(700)连接，所述关联处理模块(10)分别与所述空间光强调制模块(2)和所述桶探测器(9)连接，所述关联处理模块(10)对计算得到的目标物体处的激光强度分布以及所述桶探测器(9)探测到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分束器(3)和参考探测器(4)；
所述分束器(3)位于所述空间光强调制模块(2)的后方，经过所述空间光强调制模块(2)进行空间光强调制的激光强度随机分布，然后进入所述分束器(3)分成两束，其中一束激光照射目标物体(5)，经反射或透射后，进入所述光学参量转换模块(6)；另一束激光进入所述参考探测器(4)，由所述参考探测器(4)探测和记录激光强度分布，并发送给所述关联处理模块(10)；
所述关联处理模块(10)分别与参考探测器(4)和所述桶探测器(9)连接，对所述参考探测器(4)探测的激光强度分布以及所述桶探测器(9)探测到的激光总强度进行关联处理，得到成像结果。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的光学参量转换模块(6)实现目标物体反射光信号或透射光信号的光学参量放大，同时实现频率上转换；
或实现目标物体反射光信号或透射光信号的同频率光学参量放大；
或通过和频过程将目标物体反射光信号或透射光信号频率转换至探测器量子效率较高的波段；
或通过差频过程将目标物体反射光信号或透射光信号频率转换至探测器量子效率较高的波段。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的空间光强调制模块(2)为旋转的毛玻璃、数字微镜阵列、空间光调制器、激光光纤组束或激光投影仪中的一种。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的发射激光器(100)的运转模式为连续运转或脉冲运转，对于所述脉冲运转，脉宽的单位能够是毫秒、微秒、纳秒、皮秒或飞秒中的一种；
所述泵浦激光器(700)的运转模式为连续运转或脉冲运转，对于所述脉冲运转，脉宽的单位能够是毫秒、微秒、纳秒、皮秒或飞秒中的一种。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述非线性光学元件(600)为块状晶体结构、波导结构或者光纤结构。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光参量同步控制模块(8)通过对所述的发射激光器(100)和所述的泵浦激光器(700)进行延时控制，实现距离选通，即通过改变时间延迟得到不同纵深位置的目标图像。
8.根据权利要求1所述的装置进行关联成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对所述探测激光模块(1)发射的激光进行空间光强调制，使激光强度随机分布，得到探测激光；
S2、由所述空间光强调制模块(2)上所预设的调制信息计算得到目标物体处的激光强度分布；
S3、所述探测激光照射目标物体；
S4、对所述探测激光和所述泵浦激光模块(7)发射的泵浦激光进行精确延时控制；
S5、由所述光学参量转换模块(6)对目标物体的反射光信号或透射光信号进行光学参量放大或光学频率转换；
S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
S7、将步骤S2得到的所述目标物体处的激光强度分布与所述步骤S6得到的激光总强度进行关联计算，得到成像结果。
9.根据权利要求2所述的装置进行关联成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对所述探测激光模块(1)发射的激光进行空间光强调制，使激光强度随机分布，得到探测激光；
S2、由所述分束器(3)将所述探测激光分为两束，一束作为信号光照射所述目标物体(5)，一束作为参考光照射所述参考探测器(4)；
S3、探测和记录所述参考光的强度分布；
S4、对所述探测激光和所述泵浦激光模块(7)发射的泵浦激光进行精确延时控制；
S5、由所述光学参量转换模块(6)对目标物体的反射光信号或透射光信号进行光学参量放大或光学频率转换；
S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
S7、将步骤S3得到的激光强度分布与所述步骤S6得到的激光总强度进行关联计算，得到成像结果。
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