0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

利用绝热转换方案进行上转换成像的设计思路

中科院长春光机所 来源:中科院长春光机所 作者:中科院长春光机所 2020-12-14 11:06 次阅读

人眼能捕捉到波长在400纳米到700纳米之间的光子——在蓝光和红光对应的波长之间,因此这个波段的光被定义为“可见光”。但这只是电磁波谱的一小部分,400纳米以下还有紫外线,700纳米以上有红外辐射,红外辐射又分为近红外、中红外和远红外……在电磁波谱的每一个部分中,都有大量编码为“颜色”的信息,直到现在都还隐藏在暗处,等待人们去发掘。

图源:中国科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组 光谱中的“颜色”是非常重要的信息,很多分子都有其特征“颜色”(如分子振动、转动等)。例如,癌症细胞含有高浓度的具有特定“颜色”的分子,这些分子在红外区很容易被检测到,因此医学上可以通过红外相机对癌症进行诊断。但是目前的红外探测技术成本高昂,且成像效果有待提高。 最近,以色列特拉维夫大学的Haim Suchowski团队【拓展链接】开发了一种低成本、高效率的成像技术, 这项技术可以将整个中红外区域的光子转换到可见区域,进而可用于自然界中存在的、普通照相机或肉眼“看不见”的生物成像。

图1 本文所述技术使得普通相机能够“看到”不可见的物体图源:Tel Aviv University 相关研究成果发表在Laser & Photonics Reviews,标题为“Multicolor Time-Resolved Upconversion Imaging by Adiabatic Sum Frequency Conversion”。 Suchowski教授表示:“如果人类能看到红外光,我们将会看到像氢、碳和钠等元素都有自己独特的颜色。因此,通过对红外光的探测,环境监测卫星可以“看到”工厂排放的污染物,间谍卫星可以“看到”爆炸物或铀的存放之处;此外,由于每个物体都以红外线发出热量,因此这些信息即使在黑暗中也能被看到。” 由于大部分有机化合物的特征振动峰都位于红外(IR)波段,因此,光谱分辨的红外成像是远程化学鉴定中当之无愧的核心技术,在化学、生物、矿物学、环境科学等领域均有着巨大的应用价值。 通过非线性晶体将红外光转换为可见光,再借助廉价、高性能硅检测器进行检测,即可实现非线性上转换成像。相比于广泛使用但造价高昂、响应速度慢、空间分辨率低、灵敏度差且需要额外制冷的热传感成像技术而言,这种上转换成像技术具有很大的优势。然而,非线性光学的相位匹配问题严重限制了上转换技术的频谱带宽,往往需要复杂的串行采集才能覆盖较宽的频谱。 本文提出了一种基于绝热频率转换的中红外上转换成像方案,采用低成本、高灵敏度的可见CMOS传感器实现了中红外多色成像,辐射波段范围从2微米到4微米,全程无需调整转换晶体的相位匹配条件。

图2多光谱物体中红外成像 (a)目前应用最广泛的热成像,所得到的图像是在光谱带宽上集成的,因此缺乏颜色区分; (b)基于绝热频率转换的上转换成像,可同时对多个红外波长成像,且成本低、灵敏度高、速度快。图源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.1

绝热频率转换成像

本工作中,研究人员设计了绝热和频转换晶体(ASFG),可以消除激发光(1030 nm)与中红外信号(2~4微米)之间的相位不匹配。将此晶体用于如图3所示的成像系统中,即可将2~4微米的波长转换到690~820纳米之间,实现超宽谱带范围的上转换成像。整个装置采用波长为1030 nm,重复速率为2MHz的超快脉冲激光作为激发源,通过可调谐光参量发生器激发红外发光以及绝热和频转换过程。

图3. (a)基于绝热和频转换(ASFG)的上转换成像装置示意图; (b)上转换成像结果展示: 从左到右原始发光波长分别为2.5 μm, 3.2 μm和3.8 μm, 上转换后波长在700 nm, 790 nm和810 nm。图源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.2

超快时间成像能力

为了展示上转换成像技术的超快时间成像能力,作者将2微米和4微米两个波长的红外光信号分别通过5毫米厚的硅窗口;由于色散作用,两个波长的信号会发生时间上的分离,进而可以用短脉冲1030 nm泵浦激光(~800 fs)进行时间区分(如图4所示)。

图4上转换成像的时间分辨能力展示: 纵轴表示时间,横轴表示转换后的波长; 可见此技术具有超快的时间区分能力。图源:Laser Photonics Rev. 2020, 14, 2000040,Fig.3

高分辨率

最后,研究人员借助1951 USAF标准卡片说明了上述成像系统的高分辨率。如图5所示,该系统在2微米波长处的分辨率可达28.51 (line pairs/mm),符合理论可实现的分辨率。相比之下,4微米处的分辨率差一些,主要是由于受到ASFG晶体接受孔径的限制。

图5绝热上转换相机在2微米,3微米,4微米波长处的分辨率测试, 从上到下三行分别对应1951 USAF标准卡片中的不同分辨率。图源:Nature, 2020, 585, 211–216,Fig.4

总结

本文提出了利用绝热转换方案进行上转换成像的设计思路,能够在单次拍摄过程中将2~4微米波段的中红外图像转换为可见光-近红外图像。 由于绝热方法固有的宽频带和高效率等特点,该技术比目前广泛使用的具有相位匹配局限的非线性上转换成像方法性能更好,为未来新型材料的高分辨、超快速中红外遥感和时空间表征铺平了道路。

责任编辑:lq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 成像
    +关注

    关注

    2

    文章

    230

    浏览量

    30443
  • 电磁波
    +关注

    关注

    21

    文章

    1435

    浏览量

    53713
  • 红外探测技术

    关注

    0

    文章

    6

    浏览量

    1653

原文标题:超级红外感知:让你的世界多一种颜色

文章出处:【微信号:cas-ciomp,微信公众号:中科院长春光机所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    请问如何将HSPICE和 IBIS两种模型怎么转换成TINA软件中用?

    TI网站里,给出了一些期间的HSPICE和IBIS模型,但是现有的仿真工具 只有TINA这种,请问如何将HSPICE和 IBIS两种模型怎么转换成TINA软件中用? 请高手给予解答。感谢!
    发表于 09-02 07:56

    INA116把电流转换成电压,那么还需要在乎放大器的输入偏置电流大小吗?

    上传感器,这样就能把电流信号转换成电压读出来。 我想问的是: 1.我已经把电流转换成电压,那么还需要在乎放大器的输入偏置电流大小吗? 2.有经验的大神,觉得我这样的做法可行吗?有没有其他更好的方案推荐?
    发表于 09-02 07:25

    LMC7215怎么转换成LTspice软件能导入的lib格式的文件?

    TI官网下载的LMC7215模型是MOD格式的,请问怎么转换成LTspice软件能导入的lib格式的文件?
    发表于 08-22 07:51

    请问有将0-5V电压转换成4-20mA信号的芯片吗?

    我想生成一个4-20mA的交流信号模拟压力传感器信号,目前想利用芯片将信号发生器生成的电压信号转换成电流信号,请问有合适的芯片吗?
    发表于 08-05 06:22

    labview怎么将mdb文件转换成xlsx

    labview怎么将mdb文件转换成(导出)xlsx
    发表于 07-11 14:38

    esp32中如何将16进制的数据转换成字符串?

    想将16进制的数原数转换成字符串,但不知道怎么转换??百度查的转不成功
    发表于 06-19 07:37

    如何将wav.h文件转换成pcm采样文件?

    需要将 wav.h 文件转换成 pcm 采样文件,以了解混音器的工作原理,并通过 pwm 接口检查音调声音(例如,需要将 800hz、1khz、2khz 的音调声音转换成 pcm 采样文件,以检查音调声音)。 如何转换 wav.
    发表于 06-03 06:04

    电压转转换成电流4~20mA传输(两线制供电),有类似的方案或芯片吗?

    DAC161P997类芯片实现了数字信号转换成电流4~20mA传输(两线制供电),是否有一种方案或芯片实现电压转转换成电流4~20mA传输(两线制供电),谢谢!
    发表于 05-12 10:03

    stm32使用SD卡保存HEX升级芯片内部flash,需要转换成BIN文件吗?

    请问下:stm32 自己使用SD卡保存HEX升级芯片内部flash,需要转换成BIN文件吗?
    发表于 05-09 06:15

    如何把0-2MA的电流成比例的转换成4-20MA?

    怎样实现把0-2MA的电流成比例的转换成4-20MA?有没有独立的电流转换芯片能完成这一要求?望高手指点,谢谢!
    发表于 02-22 07:39

    芯片输出端口的PWM波怎么转换成模拟量输出?

    从芯片输出的是宽窄可控的PWM波,现在要把他转换成模拟量输出,中间这个转换过程是怎么样的?转换是按照多少个脉冲或者多长时间转换的?或者说怎么做到即时输出的?
    发表于 01-12 15:34

    请问BXL文件如何转换成PROTEL格式?

    BXL文件如何转换成PROTEL格式?
    发表于 12-25 07:55

    kicad怎么转换成ad文件

    将KiCad项目转换为AD文件的过程可能比较复杂,需要特定的工具和步骤来完成。下面是一个详细的指南,帮助你完成这个转换过程。 准备工作: 在开始转换之前,确保你已经安装了最新版本的AD软件(如
    的头像 发表于 12-20 09:58 1.4w次阅读

    如何设计可以使得AD8221的单端输出转换成差分输出?

    置成单端输入,但是精度可能没这么高。请问各位以下几个问题: 1、如何设计可以使得AD8221的单端输出转换成差分输出。 2、采用差分放大器是否比采用仪表放大器更好 3、采用运算放大器搭建CMRR的放大器,需要考虑哪些问题,或者如何设计才能满足设计要求。
    发表于 11-27 07:05

    string类型转换成日期

    在数据处理和分析的过程中,我们常常会遇到将字符串类型转换为日期类型的需求。字符串类型的日期数据在数据库、日志文件、文本等源文件中广泛存在,而将其转换为日期类型则可以更方便地进行日期计算、时间序列分析
    的头像 发表于 11-17 16:34 1333次阅读