[发明专利]一种超灵敏红外高分辨三维成像技术

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。