CN103345115B - 一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，利用同轴序列脉冲激光照明被摄物体，利用一束参考光与同轴序列脉冲激光干涉实现相干快门，控制序列脉冲激光的某一个特定脉冲所包含的被摄物体的图像信息的显现与否。利用多束不同延时的参考光可以将序列脉冲激光的每一个脉冲所包含的图像信息分别显现出来，从而实现分幅成像。本发明不需要借助机械或电子快门器件，采用全光光路即可以实现对瞬态物理过程的超高速和同轴分幅成像，图像分辨率高、成像频率高，每幅图像都具有和单幅成像相同的空间带宽，不存在幅数越多，带宽越小和牺牲空间分辨的问题，成像频率由序列脉冲间隔决定。
Description
技术领域
本发明属于高速成像和激光干涉技术领域，具体涉及超高速同轴分幅相干成像领域。
背景技术
目前的超高速成像技术可以分成以下三种：
第一种：分幅相机技术，主要包括光电分幅相机和变像管分幅相机技术。分幅相机技术利用高速快门分幅（电压选通分幅、电子束扫描分幅和取样扫描分幅）获得序列图像。目前光电分幅相机曝光时间最短约5ns，难以实现超高速成像。变像管分幅相机曝光时间最短可达到约35ps，成像频率约6??108～5??109fps，但是图像在经过微通道板、像增强器或光阴极的光电转换又重新生成图像的过程中，空间分辨率明显降低，不能满足高时空分辨诊断要求。
第二种：空间角度分幅技术，采用脉冲激光作为照明光源，利用分光系统以不同的角度和延迟时间背光照射待测物体，经过成像系统在空间不同位置形成多幅分时图像。采用角度分幅技术，无需任何电子或机械快门，是全光的分幅摄影技术，其曝光时间由激光脉冲宽度决定，可以达到飞秒量级，幅频由光束延迟时间决定。图像直接由底片或CCD记录，具有很好的空间分辨能力。这种方法也是目前高时空分辨诊断领域广泛应用的方法，大量应用于等离子体诊断领域。但空间角度分幅技术也有明显的局限，首先，由于不是同轴测量，每束激光穿越待测物体的角度不同，必然引入测量偏差，并且幅数越多，前后图像之间的分离角越大，偏差越大；其次，由于激光在等离子体、稠密气体等透明介质中会发生偏折，使得相邻的激光束发生重叠，从而导致图像重叠，在靶室观察窗的口径受限时，空间角度分幅的局限更为明显；再者，角度分幅技术不能应用于目标物体是漫反射面的情况，这是因为所有光束漫反射后都分布在整个空间，无法分开。
第三种：全息超高速成像技术。这是利用全息记录的参考光、物光和记录介质的共同作用来实现多幅超高速成像。为实现同轴分幅成像——探测光为同轴序列脉冲激光，第一个探测激光脉冲与第一个参考激光脉冲干涉形成第一幅全息图像并由干板记录；经过一段时延后第二个探测脉冲与第二个参考脉冲干涉形成第二幅全息图像并由同一块干板记录，依次类推，可实现小于皮秒的多幅同轴成像；最后通过后期全息再现读出每一幅图像。这里实现分幅技术的关键是通过对参考光编码，一般是对入射角度编码，不同时刻的参考脉冲入射到干板的角度是不同的，因此全息再现时改变参考光的入射角就能得到不同时刻的分幅干涉图像。全息分幅技术比较复杂，有干板显影和全息再现的中间过程，实验效率低。最主要的是，全息分幅技术将多幅图像叠加在一张干板上，每幅图像本质上是通过全息光栅的空间频率不同而分离的，如采用角度编码方式时，空间频率由参考光与入射光的夹角决定，两个相邻空间频率的间隔决定了每幅图像的空间频率范围，也就是说每幅全息图像的空间带宽是受限的，并且幅数越多，空间带宽越小，其它编码方式也存在同样问题。目前也有采用CCD做为多幅全息记录介质的数字全息术，但是CCD的空间带宽积远小于全息干板，以致每幅图像只有很小的空间带宽范围，大大限制了被摄物体的形状、尺度、细节特征等图像信息的分辨，应用十分受限。此外，全息分幅技术不适合用超短脉冲激光（飞秒激光）做光源，这是因为物光和参考光的干涉不能产生足够数量的全息光栅（干涉条纹），从而不能进行高分辨大视场的多幅成像。
综上所述，光电分幅技术仅能达到纳秒级时间分辨，变像管分幅技术最快也只能达到几十皮秒时间分辨，而且其空间分辨能力明显不足；空间角度分幅技术实现起来最容易但不是同轴成像；全息超高速成像技术的图像带宽受限、拍摄幅数受限，难以进一步提高时间分辨能力。因此本专利发明了一种新的超高速同轴分幅成像技术，以弥补上述技术的不足。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供的一种超高速同轴分幅相干成像光路采用了全新的分幅成像方法。该方法具备以下特点：一是全光分幅成像，图像分辨率高；二是同轴分幅成像，利用相干门实现多幅同轴图像的空间分离；三是可以获得极短的曝光时间和极高的幅频；四是每幅图像都具有和单幅成像相同的空间带宽，不存在幅数越多，带宽越小和牺牲空间分辨的问题；五是图像具有一定程度的增益（相干增强），因此可以采用较弱的照明激光。
本发明采用如下技术方案：一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，所述成像光路包括照明光、参考光、成像物镜和相干门光路，所述照明光为一串同轴序列脉冲激光，用于照明被摄物体，所述参考光为多束空间分离的脉冲激光，所述的成像方法为：
步骤一：从被摄物体透射或反射的照明光被分光镜分束后和参考光一起被传输至相干门光路；
步骤二：相干门光路包括两个臂，一个臂中传播一串同轴序列脉冲激光，在另一个臂中传播一束参考脉冲激光，同轴序列脉冲激光和参考脉冲激光被传输至像面汇合；
步骤三：当序列脉冲中的一个子脉冲和参考脉冲在时间上重叠时，在像面上形成干涉图样，其余子脉冲不参与形成干涉图样，以本底形式叠加在干涉图样上；
步骤四：在步骤三中，通过光路延时，在每个相干门光路中设定参考脉冲与不同的子脉冲在时间上相重叠，使每个子脉冲包含的图像信息分别显现出来，从而实现同轴分幅相干成像。
在上述的技术方案中，成像频率由序列脉冲激光的脉冲间隔决定，成像的曝光时间由子脉冲的脉冲宽度决定。
在上述的技术方案中，为每幅图像对被摄物体的拍摄角度是完全一样的。
在上述的技术方案中，所述干涉图样包括了被摄物体在该子脉冲到达时刻的相位、折射率、密度、灰度和透明度等信息。
在上述的技术方案中，所述同轴分幅相干成像后的图像中每幅图像都具有和单幅成像相同的空间带宽。
本发明的优点在于：本发明不需要借助机械或电子快门器件，采用全光光路即可以实现对瞬态物理过程的超高速和同轴分幅成像，成像过程中：一是全光分幅成像，图像分辨率高；二是同轴分幅成像，利用相干门实现多幅同轴图像的空间分离；三是可以获得极短的曝光时间和极高的幅频；四是每幅图像都具有和单幅成像相同的空间带宽，不存在幅数越多，带宽越小和牺牲空间分辨的问题；五是图像具有一定程度的增益（相干增强），因此可以采用较弱的照明激光。
附图说明
本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：
图1和图2是本发明的原理示意图；
图3是本发明的具体实施光路一；
图4是本发明的具体实施光路二；
图5是本发明的具体实施光路三；
其中：B1～Bn是分光镜，R1～Rn是参考脉冲激光，L1～Ln是物镜，I1～In是图像，M1～M13是反光镜，L1～L5是物镜，B1～B10是分光镜，E1是标准具，E2是楔角标准具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，为本发明的原理示意图，从被摄物体透射或反射的照明激光被分光镜分束后和参考激光一起被传输至每个相干门光路。每个相干门光路都由两个臂组成，在一个臂中传播一串序列脉冲激光，在另一个臂中传播一束参考脉冲激光，序列脉冲和参考脉冲被传输至像面汇合。如图2所示，当序列脉冲其中的一个子脉冲和参考脉冲在时间上重叠时，在像面上会形成干涉图样，该图样包含了被摄物体在该子脉冲到达时刻的相位、折射率、密度、灰度和透明度等图像信息；其余子脉冲不参与形成干涉图样，以本底形式叠加在干涉图样上。通过光路延时，在每个相干门光路中设定参考脉冲与不同的子脉冲相重叠，可以使每个子脉冲包含的图像信息分别显现出来，从而实现同轴分幅相干成像。成像频率由序列脉冲激光的脉冲间隔决定，成像的曝光时间由子脉冲宽度决定。因此采用飞秒激光就能实现飞秒同轴分幅成像。
具体实施光路一：
激光被分光镜B1分成两部分，一部分进入B2-B4和M1-M4组成的同轴分光延时光路，一部分进入M6-M7和B8-B10组成的参考光路。分光延时光路把一个激光脉冲展成由四个子脉冲组成的同轴序列脉冲，脉冲间隔可以通过改变光路延时来调节。参考光路把一个激光脉冲分成四个在不同路径传播的参考脉冲。序列脉冲激光照明被摄物体后被分光镜B5-B7分成四串序列脉冲，与四个参考脉冲在分光镜B11-B14上合束，然后传递至四个CCD成像。物镜L1用于对被摄物体成像，物镜L2-L5用于保持参考激光和序列脉冲激光在到达像面时有相同的静态波前曲率，从而获得平直的载波条纹。
具体实施光路二：
激光被分光镜B1分成两部分，一部分进入B2-B4和M1-M4组成的同轴分光延时光路，一部分进入M10-M14和B8-B13组成的参考光路。分光延时光路的作用与具体光路一中的相同。参考光路把一个激光脉冲分成四个路径接近但在传播方向有小角度差别的参考脉冲。序列脉冲激光照明被摄物体后被B5-B7和M5-M8组成的分光光路分成四串序列脉冲，同样，这四串序列脉冲也是路径接近但在传播方向有小角度差别。四串序列脉冲与四个参考脉冲在分光镜B14上合束，然后传递至一个CCD的四个不同区域成像。物镜L1和L2组成4f系统，用于对被摄物体成像，同时保持序列脉冲激光和参考激光在到达像面时有相同的静态波前曲率，从而获得平直的载波条纹。
具体实施光路三：
激光被分光镜B1分成两部分，一部分进入标准具E1，一部分进入楔角标准具E2。标准具E1用于生成一串同轴序列脉冲激光。楔角标准具E2的两个反射面有一定的夹角，用于把一个激光脉冲分成很多在传播方向有小角度差别的参考脉冲，在实际应用时可以只选择利用其中的四个脉冲而挡住其它脉冲。与具体光路二中的方式相同，序列脉冲激光照明被摄物体后被B2-B4和M1-M4组成的分光光路分成四串序列脉冲，四串序列脉冲与四个参考脉冲在分光镜B5上合束，然后传递至一个CCD的四个不同区域成像。物镜L1和L2的作用也与具体光路二中的相同。
不限具体光路，由分光镜和反光镜组成的同轴分光延时光路也可以用标准具来代替。标准具为两个平行反射面组成的腔体，每个反射面的反射率在80%至98%之间。一束脉冲激光垂直标准具反射面入射，从另一侧反射面会出射一串能量成等比级数递减的同轴序列脉冲。通过控制反射面的反射率，可以使前面的若干个参与相干成像的子脉冲占有大部分的出射激光总能量。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，所述成像光路包括照明光、参考光、成像物镜和相干门光路，所述照明光为一串同轴序列脉冲激光，用于照明被摄物体，所述参考光为多束空间分离的脉冲激光，其特征为所述的成像方法为：
步骤一：从被摄物体透射或反射的照明光被分光镜分束后和参考光一起被传输至相干门光路；
步骤二：相干门光路包括两个臂，一个臂中传播一串同轴序列脉冲激光，在另一个臂中传播一束参考脉冲激光，同轴序列脉冲激光和参考脉冲激光被传输至像面汇合；
步骤三：当序列脉冲中的一个子脉冲和参考脉冲在时间上重叠时，在像面上形成干涉图样，其余子脉冲不参与形成干涉图样，以本底形式叠加在干涉图样上；
步骤四：在步骤三中，通过光路延时，在每个相干门光路中设定参考脉冲与不同的子脉冲在时间上相重叠，使每个子脉冲包含的图像信息分别显现出来，从而实现同轴分幅相干成像。
2.根据权利要求1所述的一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，其特征为成像频率由序列脉冲激光的脉冲间隔决定，成像的曝光时间由子脉冲的脉冲宽度决定。
3.根据权利要求1所述的一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，其特征为每幅图像对被摄物体的拍摄角度是完全一样的。
4.根据权利要求1所述的一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，其特征为所述干涉图样包括了被摄物体在该子脉冲到达时刻的相位、折射率、密度、灰度和透明度信息。
5.根据权利要求1所述的一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，其特征为所述同轴分幅相干成像后的图像中每幅图像都具有和单幅成像相同的空间带宽。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151118 |