(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 202210824157.0 (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 21/359(2014.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 21/31(2006.01) (54)发明名称 一种中波红外高速高光谱成像方法 (57)摘要 本发明公开了一种中波红外高速高光谱成 像方法， 其特点是该方法包括： 1） 获取待测样品 的二维空间及光谱信息； 2） 利用二向色镜将红外 信号光与泵浦光空间合束， 通过基于啁啾极化晶 体的宽带频率上转换为可见/近红外波段； 3） 采 用声光可调滤波器对上转换宽带信号进行窄带 分光， 得到不同波长的窄带图像； 4） 根据窄带图 像波长及成像系统中透镜的焦距计算得到该图 像的缩放因子， 对每一幅窄带图像进行尺寸校 正， 得到最终的高光谱数据立方体等步骤。 本发 明与现有技术相比具有分光速度快、 光谱分辨率 高、 衍射效率高等特点， 免除了机械扫描或温度 调谐的依赖， 使成像系统兼具高成谱速度、 高分 辨率、 高灵敏度等优势， 大幅提升图像数据采集 速率。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 115308155 A 2022.11.08 CN 115308155 A 1.一种中波红外 高速高光谱成像方法， 其特征在于采用非线性晶体的宽带频率上转换 方法， 将大视场宽带中红外信号转换为近红外/可见光信号， 通过声光可调滤波器对宽带上 转换信号进行快速分光， 利用基成像器件实现实时高速的中波红外图谱像数据的采集， 具 体包括下述 步骤： 步骤1： 使用宽带红外信号 光源照射待测样品， 获取样品二维空间及光谱信息； 步骤2： 利用二向色镜将红外信号光与泵浦光空间合束， 通过基于啁啾极化晶体的宽带 频率上转换， 将红外信号 转换到可 见/近红外波段； 步骤3： 通过声光可调滤波器将上转换宽带信号分光， 得到不同波长的窄带图像； 步骤4： 根据窄带图像波长及成像系统中透镜的焦距计算， 得到该图像的缩放因子， 对 每一幅窄带图像进行尺寸校正， 得到高光谱数据立方体。 2.根据权利要求1所述的中波红外高速高光谱成像方法， 其特征在于所述成像系统包 括： 宽带红外光源、 泵浦 光源、 宽带频率上转换模块、 声光可调滤波器、 图像采集模块和图像 处理模块， 所述宽带 红外光源照射待测样品， 获取其二 维图像信息及光谱信息， 通过与泵浦 光源合束进入宽带频率上转换模块， 实现红外波段到可见光波段 的有效转换， 频率转换得 到的宽波长可见光信号经声光可调滤波器快速 分光； 所述图像采集模块对每一幅窄带图像 进行采集， 然后通过图像处 理模块对图像尺寸进行 校正， 得到最终的图谱像数据立方体。 3.根据权利要求2所述的中波红外高速高光谱成像方法， 其特征在于所述宽带红外光 源为超连续谱产生的宽带 红外光、 热光源产生的宽带 红外光或光参量过程产生的宽带 红外 光。 4.根据权利要求2所述的中波红外高速高光谱成像方法， 其特征在于所述图像采集模 块由信号发生器、 计算机和硅基CMOS相机组成， 且与声光可调滤波器协同工作， 具体过程 为： 计算机控制信号发生器产生三角波以及与三角波为同步信号的锯齿波， 所述三角波为 触发信号驱动声光可调 滤波器工作， 声光驱动频率变化速度由三角波斜率决定； 所述锯齿 波为触发信号驱动硅基C MOS相机高速采集图像。 5.根据权利要求2所述的中波红外高速高光谱成像方法， 其特征在于所述图像处理模 块通过计算机得到上转换图像的缩放因子M， 实现图像尺寸矫正， 对于第k幅采集图像对应 的缩放因子 Mk由下述(c)式表示 为： 其中， f1、 f2分别为成像4f系统中晶体前的平凸透镜焦距与晶体后的平凸透镜焦距； λp 为泵浦波长； λk为第k幅采集图像声光可调滤波器滤波 波长。 6.根据权利要求2所述的中波红外高速高光谱成像的方法， 其特征在于所述宽带频率 上转换模块由平凸透镜、 啁 啾极化非线性晶体与谐振腔组成， 实现中红外信号的宽带、 高效 频率上转换。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115308155 A 2一种中波红外高 速高光谱成像方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种高光谱成像技术领域， 尤其是一种中波红外高速高光谱成像方 法。 背景技术 [0002]高光谱成像是作为一种多维信息获取手段， 具有图谱合一的特征， 其结合成像技 术与光谱技术， 使所获图谱像数据立方体同时包含目标物体的图像轮廓信息与 精细光谱信 息。 特别地， 中红外波段光谱域较宽， 涵盖地球大气多个透射窗口， 包含许多重要分子的振 ‑ 转能级跃迁特征谱线， 且有较强的穿透尘雾能力。 因此， 发展高性能中波红外高光谱成像技 术一直以来都是国际研究热点， 其在医学诊断、 遥感勘探、 材 料检测等领域有着重要应用。 [0003]然而， 中红外高光谱成像仪受光谱分光方式、 红外焦平面探测阵列等传统技术与 器件的限制， 难以兼顾图谱像数据立方体获取速度、 灵敏度以及光谱分辨率。 现有的中红外 高光谱成像仪的高光谱信息获取通常依赖于光栅、 棱镜等分光器件， 并配合扫描装置获取 数据立方体， 其所需空间距离长， 导致成像装置体积庞大， 且成像更新速度受扫描装置限 制。 快照式光谱成像方法通过多通道并行采集结合窄带滤波片， 能够在一次曝光周期 内获 取完整的数据立方体。 其光谱通道数量通常较少， 光谱分辨率低， 对中红外波段通常大于百 纳米。 声光可调滤波器具有分光速度快、 光谱分辨率高、 衍射效率高、 体积小等特点。 近年来 发展迅速， 其以快速光谱扫描的方式兼顾了数据立方体的获取速度与光谱分辨率， 但应用 于中红外波段的声光可调滤波器衍射效率较低， 且中红外成像器件图像采集速度远慢于分 光速度， 数据立方获取速度仍然受限。 [0004]为获得中红外低能量光子的有效响应， 用于中红外高光谱 成像的红外探测器通常 采用带隙较窄的半导体材料(如碲镉汞、 锑化铟)， 在室温条件下红外探测器一般具有较大 的暗噪声， 通常需要复杂且昂贵的制冷装置， 极大限制了其灵敏度。 此外， 红外探测器阵列 工作帧率通常为几十fps。 相比之下， 现有的硅基相机在性能上更具优势， 其工作帧率能够 达到Mfps量级， 且 具有极高的灵敏度。 但受限于 半导体材料带隙能量的 限制， 硅基相机一般 工作的可 见光/近红外波段， 无法直接响应中红外波段。 [0005]为此， 非线性频率上转换技术提供了一条可行之道， 通常采用非线性和频过程将 红外信号转换至可见/近红外波段， 从而充分利用性能卓越的硅基器件实现高灵敏探测与 成像。 但受限于严格的相位匹配条件， 上转换成像系统面临着探测带宽较窄、 视场角度受限 等亟待解决的问题。 现有技术一般利用 调谐相位匹配参数或采用宽带照明等方式， 需要后 期拼接配准图像空间与光谱信息， 致使图像采集耗时长， 后处理过程复杂。 因此， 基于频率 上转换方案实现中红外波段 大视场、 高速率的高光谱成像仍颇具挑战。 发明内容 [0006]本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种中波红外高速高光谱成像方 法及其成像系统， 采用基于非线性晶体的宽带频率上转换方法， 将大视场宽带中红外信号说　明　书 1/7 页 3 CN 115308155 A 3