基于非线性涡旋滤波的中红外单光子边缘增强成像

螺旋相衬成像是现代图像处理技术中必不可少的工具，通常用于高对比度显微镜和光学涡旋日冕仪。与标准的光场成像系统相比，螺旋相衬成像技术在4f光学继电器配置的傅里叶平面上采用了涡旋相位滤波器。所引入的相位全息图在衍射光场的空间频率分量上刻印了形式为e^i𝜙的螺旋相位项。因此，所得到的图像对振幅和相位对象都表现出强烈的各向同性边缘对比度增强。虽然可以通过基于数值空间微分的后验计算或二维径向希尔伯特变换来实现边缘增强运算，但点扩散函数的全光学工程为实现实时成像处理提供了一种更简单、更快速的方法，有利于在机器视觉、特征检测和智能识别等领域的应用。此外，通过对零阶傅里叶分量应用对称破缺中心移相器，可以很容易地获得诸如定向选择性边缘增强之类的高级功能。由此产生的阴影效应可以以亚波长纵向分辨率提供类似浮雕的样品地形视图。

通常，由于高性能相位调制器和成像相机的可用性，螺旋相衬成像成像在可见光或近红外光谱波段运转。如今，将工作波长扩展到中红外区域是一个重要的推动力，涉及红外监测，行星观测，光谱成像和生物医学诊断等重要应用。在这种背景下，需要开发使能技术来接近灵敏的中红外成像相机和高保真涡旋滤波器。一般来说，基于锑化铟和碲化镉汞的传统中红外成像仪成本高且受固有噪声的限制，通常需要低温运转来抑制固有黑体辐射和暗电流。特别是，超导纳米线已被用于证明宽带中红外单光子探测，尽管没有证明成像能力。与此同时，在实现室温中红外探测方面也付出了相当大的努力，例如采用基于黑磷、石墨烯等离子体激元和准二维碲的新兴材料和新结构。然而，要达到比目前可达到的噪声等效功率pW/Hz^1∕2低几个数量级的单光子灵敏度仍然是非常具有挑战性的。

另一种有希望的解决方案是非线性频率上转换，其中中红外信号在频谱上转换为可见区，随后由高性能硅传感器检测。类似的精神也体现在基于宽禁带半导体中非简并双光子吸收的中红外成像或具有相关双色光子的非线性干涉测量中。事实上，目前在带电耦合器件CCD方面的进展已经导致了具有单光子探测灵敏度和几乎统一量子效率的电子倍增CCD的发展。在之前的研究中，上转换技术已经证明了超灵敏的中红外成像以及视频速率高光谱成像和高分辨率光学相干断层扫描的直接扩展。除了高效灵敏的中红外检测外，所涉及的非线性转换过程还允许通过在光谱，时域和空域中设计泵浦特性来操纵入射场。这种独特的特性最近被用于在螺旋相衬成像中实现非线性空间滤波，其中所需的螺旋相位图可以从泵浦转移到非线性晶体内傅里叶平面的上转换场。进一步利用底层上转换成像处理，实现近红外边缘增强检测和非线性涡旋日冕仪。原则上，上转换成像技术可以获得更长的工作波长和宽带窗口，从而避免了目前难以制造的中红外消色差涡旋掩模的需要。

边缘增强过程的核心在于对4f成像系统中空间频率分量的处理。在一般的螺旋相衬成像配置中，需要在傅里叶平面上放置一个涡旋相位片来实现相位调制，相当于实现了二维径向希尔伯特变换滤波器。由于涡旋相位片滤波器通常在聚焦平面上工作，因此在严格受限的空间区域内，所需的制造精度应保持较高。此外，涡旋相位片通常通过光学厚度的方位变化或基于晶体双折射的矢量偏振工程来实现。不可避免的材料色散要求涡旋相位片在较窄的波长范围内工作，以接近高保真涡旋相位图。事实上，宽带消色差涡旋相位片的制造仍然具有挑战性，特别是在中红外区域。

在这种情况下，研究人员研究了一种基于和频产生的替代全光方法。在近轴慢变包络近似下，和频产生场E_up可由波耦合方程推导为

式中，E_s、E_p分别为信号电场和泵浦电场，d_eff为有效非线性系数，c为光在真空中的速度，z为传播方向，Δk_z为非线性转换过程的纵向相位失配。信号场、泵浦场与和频产生场所涉及的角频率遵循能量守恒公式𝜔_up=𝜔_s+𝜔_p。实验表明，可以在相位匹配带宽范围内优化信号的频谱带宽，以提高转换效率。和频产生场的结果表达式将简单地与信号场和泵场的乘积相关。因此，非线性波混频不仅导致波长转换，而且使相位从泵浦映射到上转换场成为可能。全光相位处理为实现非线性涡旋滤波器奠定了基础。

更具体地说，研究人员考虑一个由E_s(r,𝜙)描述的信号对象图像，它由4f图像系统中的第一个透镜进行傅里叶变换为

然后，在焦平面上的泵浦场Ep(𝜌,𝜑)作为有效的空间频率分量滤波器，得到的总场由

在第二透镜之后，可以进行傅里叶反变换，得到图像平面上的场为

其中，⊗表示二维卷积。可见，泵浦场的傅里叶变换实际上相当于点扩散函数。以如图1b所示的高斯泵浦为例，点扩散函数也服从高斯分布。上转换场可以表示为

式中，M=𝜆_upf₂∕（𝜆_sf₁）为放大系数，f₁和f₂为4f系统中第一和第二透镜的焦距，w₀为泵浦光束半径。如图1e所示，有限尺寸泵作为一个软孔径，由于高频分量的衰减，导致图1h中的图像模糊。

类似的，如果考虑一个具有螺旋相分布的泵浦场E_p(𝜌𝜑)=circ(𝜌∕R) exp(i𝜑)，circ(𝜌∕R)表示孔径函数半径R。如图1e所示，轴上相位奇点的存在导致零强度光束的中心。因此，低空间频率分量明显变低，如图1f所示。在这种情况下，上转换成像的点扩散函数可以写为

其中，𝜎=2𝜋R∕(𝜆_upf₂₎，J_m是第一类的m阶贝塞尔函数，H_m是第m阶Struve函数。所得到的点扩散函数具有一个甜甜圈形状的强度环和一个方位角变化的相位模式。这种具有角坐标𝜙依赖关系的核函数保证了位于中心对称位置的任意两个图像点都会发生相消干涉。因此，卷积积分在图像的振幅边缘或相位边缘处产生最大强度，如图1i所示。由于核的球对称性，边缘增强效果在所有方向上都是各向同性的。离中心空间滤波可用于实现方向选择性边缘增强检测。

图2展示了基于非线性频率转换的中红外边缘增强成像实验设置的插图。所涉及的光源来源于被动同步光纤激光器系统，该系统由1030 nm掺镱光纤激光器和1550 nm掺铒光纤激光器组成。然后，利用两个双色脉冲在3070 nm处基于差频生成制备中红外信号源。通常，由于功率计灵敏度有限和环境热干扰，测量弱中红外光具有挑战性。相干下变频器的固有线性响应提供了一种有效的方法来精确校准中红外功率，特别是在低光水平下。

对于泵浦源，通过两级光纤放大器将掺镱光纤激光器输出的平均功率提高到700mW。然后，利用拓扑荷为m=1的空间变化半波片制备了复杂泵浦场的螺旋相位分布利用sp法制备了复杂泵场的分布e^im𝜑。潜在的机制与所谓的Pancharatnam-Berry几何相位有关，该相位涉及光偏振的方位角变化变换。如图2所示，空间变化半波片被夹在两个对角线取向光轴的四分之一波片之间，这将在高斯光束上施加漩涡相位，同时保持原始偏振。入射光束的垂直偏振方向需要满足0型相位匹配条件。

最后，信号和泵浦光束通过一个二向镜进行空间组合，然后被引导到一个长度为10mm的周期性极化铌酸锂晶体中。在771nm处，上转换光通过一系列光谱滤波器，总透射率为82%，泵浦抑制率为218dB。与重合脉冲泵浦相结合，参数背景噪声在超短时间窗内明显减小，从而实现后续的单光子成像。设计了相关脉冲的光谱-时间特性，以提高非线性转换效率。将窄频带光谱明亮的中红外源定制为接近相位匹配带宽，并将泵浦的脉冲持续时间优化为比信号的脉冲持续时间长，从而确保包裹的中红外光子的高强度。

如图2所示，用准直的中红外光照射一个清晰光路的USAF1951分辨率目标。然后，将形成的物体图像聚焦在非线性晶体的中心（f₁=50mm）。混合泵浦光束在4f成像系统中提供了全光滤光片。在另一个透镜（f₂=200mm）后，上转换图像按因子M=𝜆_upf₂∕(𝜆_sf₁)≈1缩放，并由低噪声高速硅CCD捕获。图3a,c为高斯泵浦作用下的水平线和垂直线的捕获图像。三条形图是测试目标中第0组的第三个元素，对应的空间频率为1.26 lp/mm。由于高频衰减，观察到模糊效应，如式(4)所示。成像分辨率约为140𝜇m，主要受非线性晶体内泵浦光束大小的限制。通过扩大聚焦泵浦光束的束腰，可以获得更好的分辨率，尽管由于泵浦强度降低，转换效率会降低。存在泵的情况下，基于螺旋相衬成像的处理将图像轮廓突出显示，如图3b、d所示。由此产生的边缘增强成像清晰地体现在沿切线的强度分布上。实验结果与图1的理论模拟结果吻合较好。值得注意的是，边缘增强和优化分辨率都与傅里叶分量的工程有关。边缘增强的性能在于干涉消除了低空间频率，而尽可能保持高频分量获得了更好的分辨率。因此，采用更高的涡旋拓扑将导致实现所谓的尖角弯曲边缘检测，并提高分辨率。

此外，研究人员还研究了通过在傅里叶平面上横向移动泵浦涡旋掩模来实现定向选择性边缘增强。离轴空间滤波过程允许有选择地操纵选择的空间频率。在这种情况下，螺旋相位分布的圆形对称性破坏将导致所谓的阴影效应；也就是说，样本对象的边缘会根据局部方向高亮显示。根据图4a-d的仿真，阴影方向垂直于旋涡滤波器的离轴方向。相应的实验观察结果如图4e、f所示，显示出从一侧到另一侧的边缘增强或衰减。这种各向异性滤波效应也可以从图4g，h所示的物体某条线的两个边缘的振幅不均匀中识别出来，这与图3h所示的截面分布形成对比。

值得注意的是，所实现的上转换成像系统的优越灵敏度得益于超快光脉冲的重合泵浦技术。最近在810 nm的单光子边缘增强检测中也发现了类似的机制，其中异步背景光子被双光子重合的窄时间窗显著抑制。相比之下，光脉冲可以为成像仪提供比电脉冲窄得多的门。

总之，研究人员实现了一种基于非线性频率转换的超灵敏边缘增强中红外成像。中红外信号与强泵浦场之间的非线性混频使得不同波长的转导和螺旋相位映射同时实现。因此，高性能中红外成像被证明具有单光子灵敏度，视频速率速度和室温操作。此外，通过将载轨道角动量泵浦的螺旋相图印迹到傅里叶分量上实现了全光涡旋滤波器，具有高保真度和消色差的特点。结合绝热转换技术，可以在宽带光谱范围内制备高保真涡旋相位掩模，从而避免了使用中红外消色差滤波器的技术挑战。此外，通过采用宽带泵浦、热梯度运转或非线性晶体的角度旋转，可以扩大上转换成像的视场。这种中红外单光子边缘增强成像系统可以模拟各种微光应用，如光缺乏夜视、远距离红外传感、深层组织医学诊断和光毒性敏感生物成像。