一种基于光学参量过程的关联成像装置和方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]光学参量放大(0ΡΑ)，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ωρ的较强的高频光(泵浦光)和频率为cos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《工的闲频光。泵浦光、信号光、闲频光三者的频率满足ωρ=，如果，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】
[0006](一)要解决的技术问题
[0007]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。
[0008]( 二)技术方案
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]对应上述装置进行关联成像的方法，包括以下步骤:
[0013]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；
[0014]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；
[0015]S3、所述探测激光照射目标物体；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
[0019]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。
[0020]优选地，所述装置还包括分束器和参考探测器；
[0021]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；
[0022]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。
[0023]对应上述装置进行关联成像的方法，包括以下步骤:
[0024]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；
[0025]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；
[0026]S3、探测和记录所述参考光的强度分布；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]S6、由所述桶探测器探测光参量转换后的激光总强度；
[0030]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。
[0031]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；
[0032]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；
[0033]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；
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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；
[0037]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。
[0038]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。
[0039]优选地，所述光参量同步控制模块通过对所述的发射激光