[發明專利]一種超靈敏紅外高分辨三維成像技術

有效

• 申請號: 202110362678.4
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113176583B
• 公開（公告）日: 2023-02-07
• 發明（設計）人: 方迦南;黃坤;曾和平;胡夢云
• 申請（專利權）人: 華東師范大學重慶研究院;上海朗研光電科技有限公司;華東師范大學;重慶華譜科學儀器有限公司;重慶華譜智能裝備有限公司;云南華譜量子材料有限公司;南京朗研光電科技有限公司
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 重慶啟恒騰元專利代理事務所(普通合伙) 50232
• 代理人: 江濤

本發明公開了一種超靈敏紅外高分辨三維成像系統，包括時域脈沖同步光源產生模塊、延時模塊、信號光擴束模塊、泵浦光準直模塊、探測器成像模塊。由時域脈沖同步光源產生模塊產生時域脈沖同步的成像信號光與泵浦光，信號光經過信號光擴束模塊進行光斑擴大，后照射至成像物體，其漫反射的光經探測器成像模塊的凸透鏡收集于CCD上。泵浦光經過延時模塊，后經準直模塊進行光束準直，再進入至CCD，通過延時模塊使泵浦光脈沖與信號光脈沖時域脈沖重合從而被CCD所探測，實現基于非簡并雙光子吸收的超靈敏成像，通過控制延時模塊掃描使成像物體漫反射出的不同時間的脈沖與泵浦脈沖進行時域脈沖重合從而獲得高分辨的三維成像結果。

技術領域

本發明涉及紅外光子探測與成像領域，尤其涉及一種超靈敏紅外高分辨三維成像技術，可用于三維形貌測量、紅外熒光成像、燃燒場激光診斷等。

背景技術

紅外成像具有抗干擾能力強、無需切片處理、可進行非接觸式信息采集等優點，特別是紅外三維成像技術，能夠高速獲取被測物的三維形貌特征與表面反射特性，為三維形貌測量、紅外熒光成像、燃燒場激光診斷以及腦功能成像等眾多應用提供了重要支撐。

當前，紅外探測與成像性能通常受限于紅外光電探測器的固有特性。為了獲得紅外波段低能量光子的有效響應，紅外探測器通常采用帶隙較窄的半導體材料，因此，在室溫條件下紅外探測器一般具有較大的暗噪聲，極大地限制了探測與成像的靈敏度。通過液氮等低溫制冷方式雖然可以一定程度上緩解熱輻射與暗電流導致的探測器暗噪聲，但同時昂貴與龐大的制冷系統又給實際應用過帶來了諸多不便。此外，包括如探測器陣列和電荷耦合器件（CCD）在內的現存紅外成像器件，其探測像元數目和像元尺寸相對于硅基CCD來說還有一定差距。通常，近紅外相機像素較少，只有幾十萬個像素點，對應的視界較窄，空間分辨率有限。得益于成熟的硅光子集成技術，硅基CCD的像素點可達百萬以上，能夠獲得非常寬的成像范圍，且成像分辨率可達微米量級。更為重要的是，電子倍增的硅基CCD（EMCCD）還兼具極高的靈敏度，甚至可以達到單光子的響應水平。總體而言，硅基探測與成像器件具有優越的探測性能，如探測靈敏度高、響應速度快等，且商用化成熟，在成本上更具優勢。

但是，硅基材料受限于其較寬的帶隙，只能響應可見光波段。為了突破響應波段的限制，近年來非線性頻率上轉換技術備受關注，其通過非線性光學效應，將紅外信號高效地轉換至可見光波段，從而可以充分利用性能卓越的硅基探測器，以此來規避當前紅外探測與成像器件性能不足的瓶頸。現有報道的紅外上轉換成像技術大多基于非線性晶體，借助和頻或四波混頻等非線性過程，獲得紅外光場的有效轉換。因此，該技術需要滿足嚴格的相位匹配條件，導致光學系統調節復雜、探測響應帶寬較窄、探測視場角度受限等缺點。

本發明公開了一種超靈敏紅外高分辨三維成像技術，有望應用于三維形貌測量、紅外熒光成像和燃燒場激光診斷等領域。該技術結合了超快雙色脈沖產生技術、光學脈沖同步門控技術和長波泵浦非簡并雙光子探測技術。一方面，紅外光脈沖信號在中紅外長波泵浦場的作用下，在硅基EMCCD中便能獲得高靈敏的響應。長波泵浦技術不僅能夠顯著增強雙光子吸收效率，而且還能完全去除強泵浦場簡并雙光子吸收引致的背景噪聲，從而極大提升了紅外成像的信噪比與動態范圍。由于所涉及的非線性過程是基于探測器自身材料中電荷載流子的產生和復合，因此該三維成像技術不受相位匹配的限制，具備寬帶響應窗口和大成像視野的特點。另一方面，同步的泵浦脈沖激發能夠提供高精度的探測時間門控，從而突破傳統探測與成像器件較大的時間抖動，獲得高精度的縱向空間分辨率，結合EMCCD具有的高靈敏、多像素、小像元優點，最終可以實現紅外波段超靈敏的高分辨三維成像。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，如光學系統調節復雜、探測響應帶寬較窄、探測視場角度受限等，提出了一種紅外波段超靈敏高分辨三維成像技術，該技術結合了超快雙色脈沖產生技術、長波泵浦非簡并雙光子探測技術和光學脈沖同步門控技術。該成像技術突破了硅基探測器響應波段的限制，極大提升紅外成像的信噪比與動態范圍，不受相位匹配的限制且具備寬帶響應窗口、大成像視野、高靈敏度及高精度的縱向分辨率的優點。有望應用于三維形貌測量、紅外熒光成像和燃燒場激光診斷等領域。