CN102436168A - 多通道数字全息成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道数字全息成像系统和方法。其中所述系统包括飞秒激光器、干涉仪架构和数字相机，还包括色散延时器及多通道窄带滤光片；其中，激光器输出的激光经色散延时器色散后使光束中的不同波长成分的光延时不同，色散延时器输出的光束在干涉仪架构中经分束后形成物光和参考光，所述物光和参考光经多通道窄带滤光片后，不同波长的光束分别通过不同的通道，并以小角度干涉形成多幅全息图，多幅全息图由数字相机同时记录，实现分幅成像。实施本发明，由于使用色散元件进行延时、使用多通道窄宽滤光片在数字相机中分幅成像，使得整个系统结构简单紧凑，对延时的控制简单且准确。利用折射率差很小，可以记录到几飞秒到几十飞秒的超快过程。

Description

多通道数字全息成像系统及方法

【技术领域】

本发明涉及数字全息成像，更具体地说，涉及一种用于记录飞秒级超快过程的多通道数字全息成像系统及方法。 

【背景技术】

随着极端条件下科学研究的发展和细观、微观超快过程研究的需要，极高速成像的研究已提到日程。其中，对于10¹²幅/秒以上的摄影频率，目前只有飞秒全息可以达到。飞秒全息是利用光的两重性和全息记录的多参数性来实现多幅极高速成像，可在极短的时间内对瞬态事件进行多幅连续记录。目前，学者们在这方面研究非常活跃，日本学者采用相移数字全息记录了空气的动态位相变化，分幅时间只达到微秒量级。其成像频率主要是受限于数字相机的频率，不可能做到很高^[1]。Z.Liu等人用数字全息方法记录了纳秒到皮秒级的过程，其成像频率主要是受到所用系统腔长的限制^[2]。对飞秒级过程的研究，目前也有多种方法，如空间波前分幅^[3]，角分复用技术^[4]，波长编码^[5]和偏振编码等。但是，这些飞秒级的方法都需要通过反射或透射等得到多光束，控制这些光束的延时从而记录不同时刻的瞬态事件。多次分束和对准确的延时控制的需要使得系统复杂，难以控制。 

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有数字全息技术通过反射或透射等 得到多光束并控制这些光束的延时，使得系统复杂且难以准确控制延时的缺陷，提供一种多通道数字全息成像系统，其使用色散元件进行延时、使用多通道窄宽滤光片分幅成像。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，构造一种多通道数字全息成像系统，用于记录超快过程，所述系统包括飞秒激光器、干涉仪架构和数字相机，还包括色散延时器及置于所述数字相机的感光元件前的多通道窄带滤光片；其中，所述飞秒激光器输出的激光光束经所述色散延时器色散后使得激光光束中的不同波长成分的光延时不同，所述色散延时器输出的光束在所述干涉仪架构中经分束后形成物光和参考光，其中物光通过超快过程后不同波长的物光携带了所述超快过程不同时刻的信息；所述物光和参考光经所述多通道窄带滤光片后不同波长成分的物光和参考光分别通过各自相应的通道，并以小角度干涉形成多幅全息图，所述多幅全息图由所述数字相机记录，实现分幅成像。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述多通道窄带滤光片包括N个通道，每个通道对应一个波长，其中每个通道包括多个子通道，所述子通道的尺寸与所述感光元件中的像元的尺寸相匹配，且每一个子通道的位置均与所述感光元件中的一个像元的位置相对应。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述子通道以组为单位相邻排列，每组中包含N个子通道，其中每个子通道对应一个波长，使得每个所述通道中的全部子通道相对于所述感光元件的像元阵列均匀分布。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述通道的个数N可根据需要设定。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述色散延时器包括具有色散效应的晶体或者非晶体。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述晶体或者非晶体为棒状，其长度由所述晶体或者非晶体材料的色散参数和全息图的分幅时间而确定。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述激光器和所述色散延时器之间还设置有分束器，所述分束器将所述激光器输出的激光脉冲分束为进入所述色散延时器的成像光和用于在样品处激发超快过程的激发光。 

在本发明所述的多通道数字全息成像系统中，所述干涉仪架构为马赫-曾德干涉仪架构。 

本发明要解决的技术问题在于，针对现有数字全息技术通过反射或透射等得到多光束并控制这些光束的延时，使得系统复杂且难以准确控制延时的缺陷，提供一种多通道数字全息成像方法，其使用色散元件进行延时、使用多通道窄宽滤光片分幅成像。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种多通道数字全息成像方法，用于记录超快过程，其特征在于，所述方法包括： 

飞秒激光器发射激光光束； 

色散延时器使所述激光光束中的不同波长的成分产生不同的延时； 

所述色散延时器输出的光束在干涉仪架构中两臂分别为物光和参考光，其中所述物光通过超快过程后，不同波长的物光携带了所述超快过程不同时刻的信息； 

所述物光和参考光经多通道窄带滤光片后以小角度干涉形成多幅全息图，所述多幅全息图由所述数字相机记录，实现分幅成像。 

在本发明所述的多通道数字全息成像方法中，还包括： 

将激光器发射激光脉冲分束为进入所述色散延时器的成像光和用于在样品处激发超快过程的激发光。 

实施本发明，具有以下有益效果：由于使用色散元件进行延时、使用多通道窄宽滤光片在数字相机的感光元件中分幅成像，不用像现有技术中的飞秒数字全息记录那样通过多次反射或透射产生多光束，使得整个系统结构简单紧凑，对延时的控制简单且准确。利用折射率差很小的特点，可以记录到几飞秒到几十飞秒的超快过程。 

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。 

【附图说明】

图1所示为本发明多通道数字全息成像系统的示意图； 

图2所示为根据本发明一实施例的多通道数字全息成像系统的结构示意图； 

图3所示为本发明多通道数字全息成像系统中的色散延时器一实施例的波长与折射率关系曲线图； 

图4所示为本发明多通道数字全息成像系统中使用的多通道窄带滤光片一实施例的示意图； 

图5A所示为本发明多通道数字全息成像系统中使用的多通道窄带滤光片另一实施例的示意图； 

图5B所示为图5A所示的多通道窄带滤光片的通道排列示意图。 

【具体实施方式】

本发明构思使用色散元件进行延时、使用多通道窄宽滤光片分幅成像。如图1所示，本发明多通道数字全息成像系统包括飞秒激光器10、色散延时器20、干涉仪架构30、多通道窄带滤光片40和数字相机50。其工作过程是：飞秒激光器10输出的激光脉冲经色散延时器20色散后不同波长的成分产生不同的延 时；色散后的光波通过超快过程后，就使得不同波长成分的光携带上超快过程不同时刻的信息。色散后的光波在干涉仪架构(例如马赫-曾德干涉仪、迈克耳逊干涉仪或其他合适类型的干涉仪)30中经分束后一路作为物光，另一路为参考光，物光和参考光经多通道窄带滤光片40滤波后，不同波长的光束分别通过各自相应的通道，并以小角度干涉形成多幅全息图，多幅全息图由所述数字相机50同时记录，实现分幅成像。 

如图2所示，在本发明的一个实施例中，多通道数字全息成像系统采用飞秒激光器10作为激光源。飞秒激光器10用于产生脉宽为几十飞秒的脉冲，在时间上可分辨到飞秒量级。色散延时器20对不同波长的光的折射率不同，从而产生延时。色散延时器20可以是具有色散效应的晶体或者非晶体。本实施例采用马赫-曾德干涉仪架构30’，其具有结构简单的优点。马赫-曾德干涉仪架构30’包括第一分束器31、第一反射镜33、第二反射镜35及合束器39。来自色散延时器20的光波进入马赫-曾德干涉仪架构30’后，由分束器31分束，一路为物光32a，另一路为参考光32b，两路干涉生成全息图。样品60由超短脉冲激发光18激发。多通道窄带滤光片是特制的复合型滤光片，包含N个通道(其中N≥2)，每个通道对应一个波长，即各个通道分别透过不同波长的光(具体参见图4、图5A和5B及多通道窄带滤光片的结构的相关说明)。每个通道又包括多个子通道，每个子通道的尺寸与数字相机的感光元件中的像元的尺寸相匹配，且相对于每一个子通道，感光元件中均有一个像元的位置与之相对应。需要说明的是，在本发明的各个实施例中，数字相机的感光元件可以采用CMOS图像传感器也可以采用CCD图像传感器。 

在本实施例中激发光18用于在样品60处激发超快过程。用于生成激发光的部件包括第二分束器12、第三反射镜14和第四反射镜16。飞秒激光器10发 出的超短激光脉冲经第二分束器12分束后分成两路，一路是进入色散延时器20的成像光32；另一路是激发光18，其通过第三反射镜14和第四反射镜16两次反射，在样品60处激发超快过程。 

全息成像记录过程包括以下步骤：1)飞秒激光器10发出一个超短激光脉冲，通过色散延时器20，脉冲中的不同频率分量由于色散在时间上产生相对延时；2)展宽后的激光脉冲进入马赫-曾德干涉仪架构30’，通过分束器31后一路为物光32a，通过需要记录的超快过程(即图2中的样品60)，其中不同波长的光携带了超快过程不同时刻的信息，一路为参考光32b，用于和物光32a干涉生成全息图；3)两束光通过一个特殊设计的多通道窄带滤光片40后，以小角度干涉，由数字相机记录。本发明技术方案中的两个关键元件是色散延时器20和多通道窄带滤光片40。色散延时器的作用是使脉冲中不同波长的光产生的延时不同，从而携带不同时刻的物信息，是实现超快过程多幅记录的前提。整体上多通道窄带滤光片的尺寸与数字相机感光元件尺寸一致，置于数字相机前。该多通道窄带滤光片包含N个通道(其中N≥2)，每个通道有设置有多个子通道，每个子通道的大小与感光元件的像元大小一样。各个通道分别设置所需的波长透过率，即各个通道分别对应地通过不同波长的光，实现分幅。多通道窄带滤光片的N个通道将数字相机感光元件的像元分成N个像元子集，使得各个像元子集可以记录不同波长的光束携带的信息。同时，不同波长的光所记录的超快过程的时刻不同，因此，不同像元子集可以记录超快过程不同时刻的信息，以实现分幅成像。也就是说，超快过程的多幅全息图中的每一幅全息图分别由数字相机感光元件中多个像元子集中的相对应的一个像元子集所感应并记录。 

本发明方法和传统的记录和再现飞秒时间过程的数字全息图的方法比较，不需要通过反射或透射等得到多光束，只需要色散延时器和一个多通道的滤光 片，结构简单，易于实现。 

以下分别对色散延时器和多通道窄宽滤光片的具体实施进行描述。 

1)多通道窄带滤光片的结构 

多通道窄带滤光片结构的基本设计构思为：将子通道以组为单位相邻排列，每组中包含N个子通道，其中每个子通道对应一个波长，使得每个通道中的全部子通道相对于感光元件的像元阵列均匀分布。 

在本发明的一个实施例中，多通道窄带滤光片的结构如图4所示，其采用多通道滤光片来实现。在本实施例中，为四通道滤光片，即通道的个数N等4。如图4所示，每4个相邻的子通道设为一组，每组里边的每个子通道有不同的透过波长，图4中用字母A、B、C和D进行区分。子通道的大小与相机感光元件的像元尺寸一致，滤光片总大小与相机感光元件大小一致。全部子通道排列的阵列与相机感光元件的像元排列的阵列一致。 

在本发明的另一实施例中，也可以将相机感光元件的像元阵列分成上下左右四个区，每个区对应一个通道，即各区中的像元组成一个像元子集。当然，这种方式成像质量或效果可能没有均匀分布好，但可以使多通道窄带滤光片的制作简单、成本低。 

2)色散延时器长度计算 

图1-图2中的色散延时器(亦称为色散元件)20可以是具有色散效应的晶体或者非晶体，主要作用是使不同波长的光所产生的延时不同。以四通道全息成像系统为例，为了在时间上分离开4个通道的波长的光，具有色散效应的晶体或非晶体需要一定长度，该长度由材料的色散参数(包括相对于各个波长光波的折射率)和全息图的分幅时间而确定。这里以SCHOTT公司的N-BK7玻璃为例，其波长与折射率的相对关系记录为以下公式： 

$n^2-1=\frac{C_1{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-C_2}+\frac{C_3{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-C_4}+\frac{C_5{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-C_6}---\left(1\right)$

其中C₁＝1.03961212、C₂＝0.00600069867、C₃＝0.231792344、C₄＝0.0200179144、C₅＝1.01046945、C₆＝103.560653。根据公式(1)，可以画出该介质的波长与折射率的关系曲线，如图3所示。 

从图3可以看出N-BK7玻璃的折射率与波长的关系几乎是线性的。假设使用780、790、800和810nm的四通道窄带滤光片，那么从图3上可以得到其相应的折射率分别为1.511183、1.510977、1.510776和1.510580。它们相邻的折射率差分别为0.000206、0.000201和0.000196。 

光程差公式可写成： 

Δd＝c×Δt    (2) 

其中，c为真空中的光速，c＝2.99792458×10⁸m/s，Δt为分幅时间。假设Δt＝35f s(这里是根据本发明的一实施例中使用的飞秒激光器的脉宽为35fs而假定)，则Δd＝10.49274μm。由于光程差是由色散介质N-BK7引起的，因此光程差也可表示为： 

Δd＝L×Δn    (3) 

其中L为色散介质长度，Δn为不同波长在介质中的折射率差。根据前面得到的780和790nm的折射率，从公式(3)可计算得介质至少要50.93563mm才能使780和790nm的波长的光分开35fs的时间间隔。同样地，对于790和800nm、800和810nm分别至少需要52.20269和53.53439mm。也就是说，要使这四个波长的记录时间间隔大于35fs，N-BK7玻璃至少要53.53439mm。 

假如我们使用55mm N-BK7的玻璃棒，同样采用780、790、800和810nm四个通道，那么根据公式(2)和(3)，时间间隔分别为37.79、36.88和35.96 fs，也就是说，这种条件下四个通道可分别记录超快过程的0、37.79、74.67和110.63fs时的图像。 

这样，利用折射率差很小的特点，可以记录到几飞秒到几十飞秒的超快过程。因为通过色散的时候，由于折射率差小，不同波长之间的延时就小，所以光束通过超快过程时，不同波长成分的光携带的物体的时刻信息就很接近，因此得到分幅时间可以很短。 

前面的计算都是在4通道的基础上，实际上，可根据不同的需求进行设定，滤光片的通道也可是5通道，9通道等，即通道的个数N等于5、9等。图5A和图5B是5通道的一个结构。如图5A和图5B所示，每5个相邻的子通道设为一组，每组里边的每个子通道有不同的透过波长，图中用字母A、B、C、D和E进行区分。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 

有关背景技术的参考文献： 

[1]T.Kakue，M.Fujii，Y.Shimozato，T.Tahara，Y.Awatsuji，K.Nishio，S.Ura，T.Kubota，and O.Matoba，″262500-frame-per-second phase-shifting digital holography，″in Conference on Digital Holography and Three-Dimensional Imaging，Technical Digest(CD)(Optical Society of America，2011)，paper DWC25. 

[2]Z.Liu，G.J.Steckman，and D.Psaltis，“Holographic recording of fast phenomena，”Appl.Phys.Lett.80，731-733(2002). 

[3]M.Centurion，Y.Pu，Z.Liu，and D.Psaltis，“Holographic recording of laser-induced plasma，”Opt.Lett.29，772-774(2004). 

[4]X.Wang，H.Zhai，and G.Mu，“Pulsed digital holography system recording ultrafast process of  the femtosecond order，”Opt.Lett.31，1636-1638(2006) 

[5]X.Wang and H.Zhai，“Pulsed digital micro-holography of femto-second order by wavelength division multiplexing，”Opt.Commun.275，42-45(2007)。 

Claims (10)

1.一种多通道数字全息成像系统，用于记录超快过程，所述系统包括飞秒激光器、干涉仪架构和数字相机，其特征在于，还包括色散延时器及置于所述数字相机的感光元件前的多通道窄带滤光片；其中，所述飞秒激光器输出的激光光束经所述色散延时器色散后使得激光光束中的不同波长成分的光延时不同，所述色散延时器输出的光束在所述干涉仪架构中经分束后形成物光和参考光，其中物光通过超快过程后不同波长的物光携带了所述超快过程不同时刻的信息；所述物光和参考光经所述多通道窄带滤光片后不同波长成分的物光和参考光分别通过各自相应的通道，并以小角度干涉形成多幅全息图，所述多幅全息图由所述数字相机记录，实现分幅成像。

2.根据权利要求1所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述多通道窄带滤光片包括N个通道，每个通道对应一个波长，其中每个通道包括多个子通道，所述子通道的尺寸与所述感光元件中的像元的尺寸相匹配，且每一个子通道的位置均与所述感光元件中的一个像元的位置相对应。

3.根据权利要求2所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述子通道以组为单位相邻排列，每组中包含N个子通道，其中每个子通道对应一个波长，使得每个所述通道中的全部子通道相对于所述感光元件的像元阵列均匀分布。

4.根据权利要求3所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述通道的个数N根据需要设定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述色散延时器包括具有色散效应的晶体或者非晶体。

6.根据权利要求5所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述晶体或者非晶体为棒状，其长度由所述晶体或者非晶体材料的色散参数和所述全息图的分幅时间而确定。

7.根据权利要求5所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述飞秒激光器和所述色散延时器之间还设置有分束器，所述分束器将所述飞秒激光器输出的激光脉冲分束为进入所述色散延时器的成像光和用于在样品处激发超快过程的激发光。

8.根据权利要求5所述的多通道数字全息成像系统，其特征在于，所述干涉仪架构为马赫-曾德干涉仪架构。

9.一种多通道数字全息成像方法，用于记录超快过程，其特征在于，所述方法包括：

飞秒激光器发射激光光束；

色散延时器使所述激光光束中的不同波长的成分产生不同的延时；

所述色散延时器输出的光束在干涉仪架构中两臂分别为物光和参考光，其中所述物光通过超快过程后，不同波长的物光携带了所述超快过程不同时刻的信息；

所述物光和参考光经多通道窄带滤光片后以小角度干涉形成多幅全息图，所述多幅全息图由所述数字相机记录，实现分幅成像。

10.根据权利要求9所述的多通道数字全息成像方法，其特征在于，还包括：

将激光器发射激光脉冲分束为进入所述色散延时器的成像光和用于在样品处激发超快过程的激发光。

Images