(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221082415 6.6 (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 华东师范大学 地址 200241 上海市闵行区东川路5 00号 申请人 华东师范大学重庆研究院 (72)发明人 黄坤　曾和平　方迦南　 (74)专利代理 机构 上海蓝迪专利商标事务所 (普通合伙) 31215 专利代理师 徐筱梅　张翔 (51)Int.Cl. G01N 21/35(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于单光子时频关联的中红外高光谱 成像方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于单光子时频关联的 中红外高光谱成像方法， 其特点是采用非简并纠 缠光子对时频关联成像和宽带频率转换的方法， 实现极弱光照条件下的超灵敏中红外光谱成像， 具体包括： 非简并纠缠光子对的产生、 转换至可 见/近红外波段、 使上转换信号光子到达相机的 时间在相机采集门宽内和设置不同的闲频光滤 波波长， 使超 快门宽相机采集得到对应的光谱图 像， 并经图像缩放因子进行比例矫正， 通过比对 有无成像物体的测量结果， 得到成像物体对各红 外波长的吸收率。 本发明与现有技术相比具有单 光子灵敏度、 高光谱分辨率等优势， 通过自发参 量下转换、 宽带频率上转换， 实现了宽波长范围 非简并纠缠光子对的产生， 宽带中红外光子的上 转换及灵敏成像 。 权利要求书1页 说明书8页 附图1页 CN 115308154 A 2022.11.08 CN 115308154 A 1.一种基于单光子时频关联的中红外 高光谱成像方法， 其特征在于采用非简并纠缠光 子对时频关联成像的方法， 利用宽带频率的转换， 实现极弱光照条件下 的超灵敏中红外光 谱成像， 具体包括下述 步骤： 步骤1： 利用啁啾极化结构的非线性晶体， 在窄带泵浦下实现自发参量下转换， 产生中 红外信号 光子与闲频光子的非简并纠缠光子对； 步骤2： 中红外信号光子经待成像物体获取光谱信息， 通过宽带频率上被转换至可见/ 近红外波段， 利用硅基超快门宽IC CD实现关联光谱成像； 步骤3： 闲频光子经可调滤波器的波长选择后被铟镓砷探测器所探测， 将铟镓砷探测器 输出电信号作为相 机快门触发信号， 并调节延时模块， 使上转换信号光子到达相 机的时间 在相机采集门宽内； 步骤4： 设置不同的闲频光滤波波长， 使超快门宽相机采集得到对应的光谱图像， 并经 图像缩放因子进行比例矫正， 通过比对有无成像物体的测 量结果， 即可得到成像物体对各 红外波长的吸 收率。 2.根据权利要求1所述的基于单光子时频关联的中红外高光谱成像方法， 其特征在于 所述窄带泵浦为连续激光器或脉冲激光器。 3.根据权利要求1所述的基于单光子时频关联的中红外高光谱成像方法， 其特征在于 所述关联光谱成像的光谱分辨 率Δ υs由下述(5)式表示 为： 其中， Δωs为信号光频谱分辨率； Δωf为可调滤波器滤波频谱宽度； Δλf为可调滤波 器滤波光谱宽度； ωf为可调滤波器滤波中心频率； c为 光速。 4.根据权利要求1所述的基于单光子时频关联的中红外高光谱成像方法， 其特征在于 所述啁啾极化结构的非线性晶体的极化周期为16～ 24 μm。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115308154 A 2一种基于单光子时频关联的中红外高光谱成像方 法 技术领域 [0001]本发明涉及高光谱 成像技术领域， 尤其涉及一种基于单光子时频关联的中红外高 光谱成像方法。 背景技术 [0002]高光谱成像是一种多维信息获取手段， 其将成像技术与光谱技术相 结合， 具有图 谱合一的重要特征， 所获 图谱像数据立方体同时包含目标物体的轮廓信息与光谱信息。 特 别地， 中红外波段的光谱域较宽， 包含许多重要分子的振 ‑转能级跃迁特征谱线， 该波段的 光谱成像能够实现目标物体的 “指纹”识别， 许多应用场景对基于中红外微弱信号 实现灵敏 高光谱成像有着迫切需求。 例如， 在癌细胞病理分析成像中， 为了降低探测信号对样品的光 毒性， 通常需要在极弱光照条件 下对细胞成像分析； 在机载激光对地勘探时， 信号光束经长 距离传输衰减严重， 通常需要在极低的信噪比条件下获取有效信息； 在某些陶瓷材料成分 分析中， 为了避免表面光催化/光降解材料的破坏， 照明源功率要求极低。 发展超灵敏中红 外高光谱成像技术一直以来都是国际研究热点， 其具备 的非破坏性、 弱光毒性等优势为医 学诊断、 环境勘探、 生物组织检测等应用提供有力支撑 。 [0003]现有技术的中红外高光谱 成像仪受红外探测器件与光谱色散分光技术的限制， 难 以兼顾中红外图谱的获取灵敏度与光谱分辨率。 在红外探测器方面， 用于红外高光谱成像 的探测器通常采用带隙较窄的半导体材料(如碲镉汞、 锑化铟)， 具有较大的内禀暗噪声， 需 要复杂且昂贵的低温制冷装置， 且在像素数目、 像元大小和工作帧频等核心 性能指标方面， 远不及可见光波段的硅基器件， 致使红外成像成像灵敏度、 空间分辨率等方面受到极大限 制。 在光谱成像技术方面， 扫描式光谱成像技术一般利用光栅作为分光手段配合扫描装置 完成二维空间成像， 光栅多级衍射的重叠会干扰谱线获取， 制约光谱分辨率； 快照式光谱成 像技术通过面阵探测器可以一次性获取图像二维信息， 但光谱信息仍依赖于窄带滤波器逐 波段获取， 且中红外面阵探测器像素数目少、 探测灵敏度低； 芯片 镀膜法通过在探测器像元 上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像， 其光谱分辨率低， 通常大于十纳米； 傅里叶红 外光谱成像技术可以通过扫描长程干涉臂来 获取更高的光谱分辨率， 但其往往以牺牲扫描 速率、 扩大系统体积为代价。 可见， 为了实现超灵敏、 高分辨的光谱成像结果并拓展推 向更 广泛的应用， 势必需要发展中红外高光谱成像新 技术。 [0004]近年来， 宽带频率上转换技术为中红外高光谱成像提供了新方法。 其基于啁啾极 化非线性晶体， 借助和频过程， 将中红外图像/光谱信息转换到可见/近红外波段， 进而充分 利用性能卓越的硅基器件实现高灵敏探测。 而当成像场景中单位面积辐 射的信号光极弱， 从物体到达探测面的信号光子数低至单光子量级， 且和环境中的噪声光子高度耦合时， 如 何在极低信噪比下精确甄别信噪光子， 并实现图像重构、 光谱探测， 成为了超灵敏中红外上 转换高光谱成像方案中的关键技 术难题。说　明　书 1/8 页 3 CN 115308154 A 3