基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，包括：照明激光模块、图像接收模块、空间频率选择模块、参量匹配成像模块和图像处理模块；照明激光模块发出照明光照射目标物体；图像接收模块接收照明光被目标物体反射的光，形成目标物体图像后进入到参量匹配成像模块；空间频率选择模块调整相位匹配参数；参量匹配成像模块获得目标物体在不同空间频率处的增强图像；图像处理模块根据预设的空间频率传递函数对参量匹配成像模块获得的多个增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。本装置能克服由单次非线性光学过程频域带宽有限所引起的图像分辨率较差的问题，获得对图像增强后的高保真融合图像。
【专利说明】
基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置
技术领域
[0001]本发明涉及非线性光学及成像光学技术领域，尤其涉及一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置。
【背景技术】
[0002]目前，图像增强手段主要分为电学方式和光学方式。电学方式主要使用的有电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)以及增强电荷耦合器件(ICCD)，这些器件使用比较广泛。光学方式的主要技术有受激拉曼散射、受激布里渊散射、光参量过程等。相对于电学方式，光学方式的优点主要在于，可以实现频率转换，从而使得整体的量子效率得到提升，并获得高增益，降低噪声，因此在生物医学领域具有较好的应用前景。
[0003]但是，目前使用的光学方式，例如光参量放大(OPA)、和频(SFG)等方式仅能够提供有限的空间频域带宽，而这些带宽的增益传递函数(ATF)曲线半高全宽要小于光学系统的调制传递函数(MTF)曲线的半高全宽，只能在某些空间频率处对图像进行增强，因此效果不太理想；如图1所示，图1A为输入的信号图像，图1B为现有技术中利用光参量放大的方式对图1A的图像在某一空间频率处进行增强的结果，可以看到，增强后的单幅图像并不理想。其根本原因在于由单次非线性光学成像，单一的相位匹配条件对应的空间频域带宽有限，无法同时对低频和高频分量进行传递并成像，从而导致图像分辨率较差、难以高保真成像。
[0004]鉴于此，如何克服现有技术的图像增强手段中由单次非线性光学过程频域带宽有限所引起的图像分辨率较差、难以高保真成像的问题，获得高保真图像成为目前需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]为解决上述的技术问题，本发明提供一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，能够实现对图像在不同空间频率的增强，并将不同空间频率传递函数下的图像进行信息融合，从而获得高保真的图像。
[0006]第一方面，本发明提供一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，包括:照明激光模块、图像接收模块、空间频率选择模块、参量匹配成像模块和图像处理模块;其中:
[0007]所述照明激光模块发出照明光照射目标物体;所述图像接收模块接收所述照明光被目标物体反射的光，形成目标物体图像后进入到所述参量匹配成像模块;所述空间频率选择模块调整相位匹配参数;所述参量匹配成像模块根据所述空间频率选择模块调整的相位匹配参数对所述目标物体图像在不同空间频率处进行图像增强，获得目标物体在不同空间频率处的增强图像;所述图像处理模块根据预设的空间频率传递函数对所述参量匹配成像模块获得的目标物体在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像；
[0008]其中，所述相位匹配参数是根据非线性光学过程中相位匹配参数与空间频率传递函数的一一对应关系预先设置好的。
[0009]可选地，所述图像接收模块为成像镜组。
[0010]可选地，所述照明激光模块，包括:照明激光器、整形及发射光学元件；
[0011]所述照明激光器发射的激光经过所述整形及发射光学元件整形后照射到目标物体。
[0012]可选地，所述空间频率选择模块，包括:栗浦激光器、栗浦激光整形光学元件、输入耦合镜和相位匹配控制器；
[0013]所述栗浦激光器发出的栗浦激光经过所述栗浦激光整形光学元件的整形后，与所述图像接收模块形成的目标物体图像的激光同时经过所述输入耦合镜入射到所述参量匹配成像模块中的非线性光学元件;所述相位匹配控制器通过调节所述非线性光学元件的角度或温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。
[0014]可选地，所述相位匹配控制器为角度控制器，包括:旋转平台或者镜架，用于调节所述非线性光学元件的角度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。
[0015]可选地，所述相位匹配控制器为温度调节器，用于监测并调节所述非线性光学元件的温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。
[0016]可选地，所述空间频率选择模块，还包括:同步控制模块，用于对所述照明激光器和所述栗浦激光器进行延时控制，实现距离选通，通过改变时间延迟得到不同纵深位置的目标物体图像。
[0017]可选地，所述参量匹配成像模块，包括:非线性光学元件、输出耦合镜、光束收集器、像传递镜组和线阵电荷耦合元件CCD;
[0018]通过所述非线性光学元件的光经所述输出耦合镜后通过所述像传递镜组入射到所述线阵电荷耦合元件CCD上成像，将获得的目标物体在不同空间频率处的增强图像发送至所述图像处理模块;所述光束收集器收集通过所述非线性光学元件后的杂散光。
[0019]可选地，所述图像处理模块，包括:图像采集卡和处理器；
[0020]所述图像采集卡接收所述线阵电荷耦合元件CCD形成的目标物体在不同空间频率处的增强图像，所述处理器根据预设的空间频率传递函数对所述目标物体在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0021]可选地，所述处理器对所述目标物体在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保融合真图像的算法，包括:基于小波变换、傅立叶变换、主成分分析PCA或强度色调饱和度IHS变换的算法。
[0022]由上述技术方案可知，本发明的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，能够克服由单次非线性光学过程频域带块有限所引起的图像分辨率较差的困难，实现对图像在不同空间频率的增强，并将不同空间频率传递函数下的图像进行信息融合，从而获得高保真的融合图像。
【附图说明】
[0023]图1为现有技术中利用光参量放大的方式对图像在某一空间频率处进行增强的示意图，其中，图1A为输入的信号图像，图1B为现有技术中利用光参量放大的方式对图1A的图像在某一空间频率处进行增强的结果示意图；
[0024]图2为本发明第一实施例提供的一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的结构示意图；
[0025]图3为本发明第二实施例提供的一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的结构示意图；
[0026]图4为本发明第二实施例在不同相位失配量时的ATF曲线；
[0027]图5为本发明第二实施例提供的相位失配量△k与非线性晶体的角度△ Θ的关系示意图；
[0028]图6为本发明第二实施例提供的A、B、C、D对应相位失配量分别为1.7cm—\-3.7cm—1、-6.3cm—1、-8.3cm—1时不同空间频率处增强后的图像；
[0029]图7为本发明第二实施例采用基于傅立叶变换的直接图像融合法对图6中的四幅图像各自的较佳部分进行融合的示意图，图7A为第二实施例采用基于傅立叶变换的直接图像融合法对图6中的四幅图像各自的较佳部分进行融合后获得的高保真图像，图7B为输入的信号图像；
[0030]图8为本发明第三实施例提供的一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]第一实施例
[0033]图2示出了本发明第一实施例提供的一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的结构示意图，如图2所示，本实施例的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，包括:照明激光模块1、图像接收模块2、空间频率选择模块3、参量匹配成像模块4和图像处理模块5;其中:
[0034]所述照明激光模块I发出照明光照射目标物体O;所述图像接收模块2接收所述照明光被目标物体O反射的光，形成目标物体图像后进入到所述参量匹配成像模块4;所述空间频率选择模块3调整相位匹配参数;所述参量匹配成像模块4根据所述空间频率选择模块3调整的相位匹配参数对所述目标物体图像在不同空间频率处进行图像增强，获得目标物体O在不同空间频率处的增强图像;所述图像处理模块5根据预设的空间频率传递函数对所述参量匹配成像模块4获得的目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像；
[0035]其中，所述相位匹配参数是根据非线性光学过程中相位匹配参数与空间频率传递函数的一一对应关系预先设置好的。
[0036]具体地，所述相位匹配参数为增益传递函数AFT，可根据增益传递函数ATF与相位失配量△ k，预先设置不同的ATF。
[0037]在具体应用中，所述图像接收模块2可以优选为成像镜组。
[0038]在具体应用中，所述照明激光模块可包括:照明激光器、整形及发射光学元件；
[0039]所述照明激光器发射的激光经过所述整形及发射光学元件整形后照射到目标物体。
[0040]在具体应用中，所述空间频率选择模块3，可包括:栗浦激光器、栗浦激光整形光学元件、输入耦合镜和相位匹配控制器；
[0041]所述栗浦激光器发出的栗浦激光经过所述栗浦激光整形光学元件的整形后，与所述图像接收模块形成的目标物体图像的激光同时经过所述输入耦合镜入射到所述参量匹配成像模块4中的非线性光学元件;所述相位匹配控制器通过调节所述非线性光学元件的角度或温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。
[0042]进一步地，所述相位匹配控制器可以为角度控制器，包括:旋转平台或者镜架，用于调节所述非线性光学元件的角度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择;具体地，可根据增益传递函数ATF与相位失配量△ k，以及相位失配量△ k与所述非线性光学元件的角度A Θ的关系，预设不同的ATF，通过调节旋转平台或者镜架改变所述非线性光学元件的角度A Θ，从而获得不同的相位失配量△ k，进而使目标物体图像在不同的空间频率处得到增强。
[0043]进一步地，所述相位匹配控制器也可以为温度调节器，用于监测并调节所述非线性光学元件的温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。
[0044]在具体应用中，所述空间频率选择模块3，还可以包括:同步控制模块(图中未示出)，用于对所述照明激光器和所述栗浦激光器进行延时控制，实现距离选通，通过改变时间延迟得到不同纵深位置的目标物体图像。
[0045]在具体应用中，所述照明激光模块I中的照明激光器和所述空间频率选择模块3中的栗浦激光器的运转模式可以是连续运转或者脉冲运转，对脉冲运转而言，脉宽可以是纳秒、皮秒或飞秒中的一种。
[0046]在具体应用中，所述参量匹配成像模块4，包括:非线性光学元件、输出耦合镜、光束收集器、像传递镜组和线阵电荷耦合元件CCD;
[0047]通过所述非线性光学元件的光经所述输出耦合镜后通过所述像传递镜组入射到所述线阵电荷耦合元件CCD上成像，将获得的目标物体O在不同空间频率处的增强图像发送至所述图像处理模块5;所述光束收集器收集通过所述非线性光学元件后的杂散光。
[0048]具体地，所述非线性光学元件可优选为非线性晶体。
[0049]在具体应用中，所述图像处理模块5，可包括:图像采集卡和处理器；
[0050]所述图像采集卡接收所述线阵电荷耦合元件CCD形成的目标物体O在不同空间频率处的增强图像，所述处理器根据预设的空间频率传递函数对所述目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0051]具体地，所述处理器可以采用基于小波变换、傅立叶变换、主成分分析PCA或强度色调饱和度IHS变换等算法对所述目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0052]本实施例的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，利用光参量放大过程，将目标物体图像在不同的空间频率处增强，或者利用和频上转换的方式，对目标物体图像信号进行频率的转换，提高整体的效率，然后再采用融合算法来获得高保真的图像。本发明的装置，尤其对于弱的图像信号作用更加明显，这对于远程探测及弱光探测具有极其重要的意义
[0053]第二实施例
[0054]图3示出了本发明第二实施例提供的一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的结构示意图，如图3所示，本实施例的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，包括:照明激光模块1、图像接收模块2、空间频率选择模块3、参量匹配成像模块4和图像处理模块5 ；
[0055]所述图像接收模块2为成像镜组;所述照明激光模块包括:照明激光器101、整形及发射光学元件102;所述空间频率选择模块3包括:栗浦激光器303、栗浦激光整形光学元件304、输入耦合镜302和旋转平台301;所述参量匹配成像模块4包括:非线性晶体401、输出耦合镜402、光束收集器403、像传递镜组404和线阵电荷耦合元件(XD405;
[0056]其中，所述照明激光器101发射的照明激光经过所述整形及发射光学元件102整形后照射到目标物体O;成像镜组2接收所述照明激光被目标物体反射的光，形成目标物体图像;所述栗浦激光器303发出的栗浦激光经过所述栗浦激光整形光学元件304的整形后，与成像镜组2形成的目标物体图像的激光同时经过所述输入耦合镜302入射到非线性晶体401;根据增益传递函数ATF与相位失配量△ k，以及相位失配量△ k与非线性晶体401的角度A Θ的关系(参见图5)，预设不同的ATF，通过所述旋转平台301调节非线性晶体401的角度ΔΘ，从而获得不同的相位失配量Ak，进而使目标物体图像在不同的空间频率处得到增强;通过非线性晶体401的光经所述输出耦合镜402后通过所述像传递镜组404入射到所述线阵电荷耦合元件CCD405上成像，将获得的目标物体O在不同空间频率处的增强图像发送至所述图像处理模块5;光束收集器403收集通过非线性晶体401后的杂散光;所述图像处理模块5根据预设的空间频率传递函数对所述参量匹配成像模块4获得的目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0057]在具体应用中，所述图像处理模块5，可包括:图像采集卡和处理器；
[0058]所述图像采集卡接收所述线阵电荷耦合元件CCD405形成的目标物体O在不同空间频率处的增强图像，所述处理器根据预设的空间频率传递函数对所述目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0059]具体地，所述处理器可以采用基于小波变换、傅立叶变换、主成分分析PCA或强度色调饱和度IHS变换等算法对所述目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0060]在本实施例中，本实施例的照明激光模块I发射的激光波长可优选为1064nm，栗浦激光器303输出波长可优选为532nm激光，栗浦光功率密度可优选为lGW/cm2，参量匹配成像模块4可以将目标物体O的微弱反射光进行光参量放大，增加光能量，其中非线性晶体401为BBO晶体，长度为12.5mm，再采用基于傅立叶变换的直接图像融合法，获得高保真的图像;图4为第二实施例在不同相位失配量时的ATF曲线，图中包括相位失配量分别为1.7cm—
3.7cm—1、-6.3cm—\-8.3cm—1时的ATF曲线；图6为第二实施例提供的A、B、C、D对应相位失配量分别为Ι.Ταιι'υαιι'?πι'υαιι—1时不同空间频率处增强后的图像;图7为第二实施例采用基于傅立叶变换的直接图像融合法对图6中的四幅图像各自的较佳部分进行融合的示意图，图7A为第二实施例采用基于傅立叶变换的直接图像融合法对图6中的四幅图像各自的较佳部分进行融合后获得的高保真图像，图7B为输入的信号图像。
[0061]本实施例的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，能够实现对图像在不同空间频率的增强，并将不同空间频率传递函数下的图像进行信息融合，从而获得高保真的图像。
[0062]第三实施例
[0063]图8示出了本发明第三实施例提供的一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置的结构示意图，如图8所示，本实施例的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置与第二实施例的区别是:用温度调节器301’代替旋转平台301;
[0064]其中，所述照明激光器101发射的照明激光经过所述整形及发射光学元件102整形后照射到目标物体O;成像镜组2接收所述照明激光被目标物体反射的光，形成目标物体图像;所述栗浦激光器303发出的栗浦激光经过所述栗浦激光整形光学元件304的整形后，与成像镜组2形成的目标物体图像的激光同时经过所述输入耦合镜302入射到非线性晶体401;所述温度调节器301’通过调节非线性晶体401的温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择;通过非线性晶体401的光经所述输出耦合镜402后通过所述像传递镜组404入射到所述线阵电荷耦合元件CCD405上成像，将获得的目标物体O在不同空间频率处的增强图像发送至所述图像处理模块5;光束收集器403收集通过非线性晶体401后的杂散光;所述图像处理模块5根据预设的空间频率传递函数对所述参量匹配成像模块4获得的目标物体O在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。
[0065]在本实施例中，本实施例中的照明激光器101发射的激光波长可优选为1.55μπι，属于大气窗口，大气损耗较低。栗浦激光器303输出波长可优选为1064]11]1，在非线性晶体401中和频后产生631nm激光，将红外激光转换至可见光波段，从而将探测的激光信号范围由探测器量子效率较低的波段转换至量子效率高的波段，其中栗浦光功率密度为lGW/cm2，非线性晶体401为PPLN晶体。通过温度调节器301调节晶体的温度来改变相位失配量Δ k。
[0066]本实施例的基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，能够实现对图像在不同空间频率的增强，并将不同空间频率传递函数下的图像进行信息融合，从而获得高保真的图像。
[0067]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种基于多次相位匹配过程的非线性光学成像装置，其特征在于，包括:照明激光模块、图像接收模块、空间频率选择模块、参量匹配成像模块和图像处理模块;其中: 所述照明激光模块发出照明光照射目标物体;所述图像接收模块接收所述照明光被目标物体反射的光，形成目标物体图像后进入到所述参量匹配成像模块;所述空间频率选择模块调整相位匹配参数;所述参量匹配成像模块根据所述空间频率选择模块调整的相位匹配参数对所述目标物体图像在不同空间频率处进行图像增强，获得目标物体在不同空间频率处的增强图像;所述图像处理模块根据预设的空间频率传递函数对所述参量匹配成像模块获得的目标物体在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像； 其中，所述相位匹配参数是根据非线性光学过程中相位匹配参数与空间频率传递函数的—对应关系预先设置好的。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像接收模块为成像镜组。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述照明激光模块，包括:照明激光器、整形及发射光学元件； 所述照明激光器发射的激光经过所述整形及发射光学元件整形后照射到目标物体。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述空间频率选择模块，包括:栗浦激光器、栗浦激光整形光学元件、输入耦合镜和相位匹配控制器； 所述栗浦激光器发出的栗浦激光经过所述栗浦激光整形光学元件的整形后，与所述图像接收模块形成的目标物体图像的激光同时经过所述输入耦合镜入射到所述参量匹配成像模块中的非线性光学元件;所述相位匹配控制器通过调节所述非线性光学元件的角度或温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述相位匹配控制器为角度控制器，包括:旋转平台或者镜架，用于调节所述非线性光学元件的角度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述相位匹配控制器为温度调节器，用于监测并调节所述非线性光学元件的温度，实现对相位失配量的控制，从而实现不同的空间频率选择。7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述空间频率选择模块，还包括:同步控制模块，用于对所述照明激光器和所述栗浦激光器进行延时控制，实现距离选通，通过改变时间延迟得到不同纵深位置的目标物体图像。8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述参量匹配成像模块，包括:非线性光学元件、输出耦合镜、光束收集器、像传递镜组和线阵电荷耦合元件CCD; 通过所述非线性光学元件的光经所述输出耦合镜后通过所述像传递镜组入射到所述线阵电荷耦合元件CCD上成像，将获得的目标物体在不同空间频率处的增强图像发送至所述图像处理模块;所述光束收集器收集通过所述非线性光学元件后的杂散光。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述图像处理模块，包括:图像采集卡和处理器； 所述图像采集卡接收所述线阵电荷耦合元件CCD形成的目标物体在不同空间频率处的增强图像，所述处理器根据预设的空间频率传递函数对所述目标物体在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理器对所述目标物体在不同空间频率处的增强图像进行频域操作，实现图像融合，获得目标物体图像增强后的高保真融合图像的算法，包括:基于小波变换、傅立叶变换、主成分分析PCA或强度色调饱和度IHS变换的算法。
【文档编号】G06T5/50GK105911792SQ201610531795
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】杨晶, 王聪, 彭钦军, 许祖彦, 潘秀娟, 蔡高航
【申请人】中国科学院理化技术研究所