CN106291581A - 基于光时分复用的超快成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光时分复用的超快速成像装置及方法,该装置具有这样的特征,包括:光束发射单元;与光束发射单元光路连接光束采集单元;光束处理单元,与信息采集单元光路连接,用于对含有被检测物体的图像信息的脉冲光束进行处理;以及光束接收单元,与光束处理单元光路连接,用于接收光束处理单元处理后的脉冲光束并还原出被检测物体的图像,其中,光束处理单元包括:第一耦合器、可调光延迟线、衰减器以及第二耦合器。本发明的基于光时分复用的超快速成像装置不仅解决的图像出现锯齿的问题,而且能够提高图像的像素点数,实现高保真成像,本发明的基于光时分复用的超快速成像的方法操作简单,易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学成像技术,具体涉及一种基于光时分复用的超快成像装置及方法。
背景技术
在科学研究和技术研发的过程中,超快速成像摄像机技术已经得到了很大的发展。2012年,美国加州大学洛杉矶分校的Bahram Jalali教授提出了一种新颖的超快成像技术,这种技术可以在一秒钟之内拍摄三千六百七十万帧图像,快门速度高达27皮秒。利用这项超快成像技术可以解决众多科研和工业领域的难题,包括高速生物细胞检测筛选,观测激光核聚变和等离子体辐射的动态过程。
但是,这种超高速成像技术对于光电转换器及电子元件的采样率要求非常高,而这一类电子元件恰巧是电子元件的瓶颈器件,生产工艺复杂、成本极高。而如果选用较低采样率的光电转换器及电子元件,在成像时,图像很容易出现锯齿现象,像素点数也会非常少,图像的保真度不高。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种能够实现抗锯齿和提高像素,并且使得高速成像的图像具有高保真度的基于光时分复用的超快成像装置及方法。
本发明提供了一种基于光时分复用的超快成像装置,用于对被检测物体进行快速成像,其特征在于,包括:光束发射单元,用于发射脉冲光束;光束采集单元,与光束发射单元光路连接,用于将脉冲光束导入到设置在光束采集单元上的被检测物体上,并得到含有被检测物体的图像信息的脉冲光束;光束处理单元,与信息采集单元光路连接,用于对含有被检测物体的图像信息的脉冲光束进行处理;以及光束接收单元,与光束处理单元光路连接,用于接收光束处理单元处理后的脉冲光束并还原出被检测物体的图像,其中,光束处理单元包括:第一耦合器,用于将含有被检测物体的图像信息的脉冲光束分成第一光束以及第二光束,可调光延迟线,与第一耦合器光路连接,用于将第一光束的脉冲信号进行延迟,得到延迟光束,衰减器,与第一耦合器光路连接,用于将第二光束的能量进行衰减,得到衰减光束,第二耦合器,分别与可调光延迟线以及衰减器光路连接,用于将延迟光束以及衰减光束耦合在同一个信道上。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,光束发射单元包括用于发射脉冲光束的飞秒激光器以及用于将脉冲光束调制成偏振状态的偏振控制器。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,信息采集单元包括依次光路连接的用于传输脉冲光束的光环形器、用于校直脉冲光束的准直器、用于对脉冲光束的光斑进行放大的扩束透镜组、用于对脉冲光束中不同波长的光进行发散的衍射光栅以及用于对脉冲光束中不同波长的光进行聚焦的聚焦透镜。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,光束处理单元还包括用于对含有被检测物体的图像信息的脉冲光束的能量进行放大的掺铒光纤放大器。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,光束处理单元还包括用于对含有被检测物体的图像信息的脉冲光束在时域上进行延展的色散补偿光纤。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,第一偶合器与第二耦合器均为分光比为50:50的均分耦合器。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,光束接收单元包括用于将含有被检测物体的图像信息的脉冲光束转换为电信号的光电探测器以及用于将电信号进行处理并还原出被检测物体的真实图像的数字处理器。
在本发明提供的基于光时分复用的超快成像装置中,还可以具有这样的特征:其中,可延迟光线延迟的时间为1/2Rp+τ+1/2Rs,其中,Rp为脉冲光束的重复频率,Rs是采样频率,τ是延迟光束与衰减光束到达第二耦合器的时间间隔的补偿时间。
本发明还提供了一种基于光时分复用的超快速成像方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,获取含有被检测物体的图像信息的脉冲光束;步骤二,将含有被检测物体的图像信息的脉冲光束的能量放大;步骤三,将步骤二中脉冲光束分成第一光束以及第二光束,将第一光束的脉冲信号进行延迟后得到延迟光束,将第二光束的脉冲能量进行衰减后得到衰减光束,将延迟光束和衰减光束耦合在一个信道上;步骤四,将耦合在一个信道上的脉冲光束在时域上延展后,进行放大输出;步骤五,接收放大输出后的脉冲光束的脉冲信号,并将脉冲信号转化为电信号,处理电信号后还原出被检测物体的图像。
在本发明提供的基于光时分复用的超快速成像方法中,还可以具有这样的特征:其中,所述步骤一的过程为:飞秒激光器发射出脉冲光束,偏振控制器对脉冲光束的进行偏振处理得到偏振状态的脉冲光束,偏振处理后脉冲光束通过光环形器后,准直镜对脉冲光束进行校直,扩束透镜组对校直后的脉冲光束的光斑进行放大,衍射光栅对脉冲光束中不同波长的光进行发散,发散后的不同波长的光通过聚焦透镜聚焦在被测物体上得到含有被测物体图像信息的脉冲光束,含有被测物体图像信息的脉冲光束沿原路返回,到达光环形器。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于光时分复用的超快成像装置及方法,因为含有被检测物体的图像信息的脉冲光束通过第一耦合器分成第一光束以及第二光束,第一光束以及第二光束中都载有相同的被检测物体的图像信息;然后,第一光束的脉冲信号经可调光延迟线进行延迟,得到延迟光束,第二光束的能量经衰减器被衰减,得到衰减光束,第二耦合器再将延迟光束以及衰减光束耦合在一个信道上,这样,通过分别对延迟光束以及衰减光束的不同采样点进行采样,在光束接收单元对图像处理时合成在同一帧图像上,还原出被检测物体的图像,使得在低采样率器件的条件下,克服了图像混叠效应。所以,本发明的基于光时分复用的超快成像装置不仅解决的图像出现锯齿的问题,而且能够提高图像的像素点数,实现高保真成像。本发明的基于光时分复用的超快成像的方法操作简单,易于实现。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于光时分复用的超快成像装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,以下实施例结合附图对本发明的基于光时分复用的超快成像装置及方法作具体阐述。
图1是本发明的实施例中基于光时分复用的超快成像装置的结构示意图。
如图1所示,在本实施例中,基于光时分复用的超快成像装置100用来对分辨率板200进行超快速成像,它包括光束发射单元10、光束采集单元20、光束处理单元30以及光束接收单元40。
光束发射单元10用来发射超短激光脉冲并将超短激光脉冲调节成具有偏振特性的脉冲光束,它包括飞秒激光器11和偏振控制器12。
飞秒激光器11用来产生超短激光脉冲,使用时,必须严格控制超短激光脉冲的能量,防止能量太大对成像的结果造成干扰。
偏振控制器12与飞秒激光器11通过光纤连接,用来将超短激光脉冲调节成具有偏振特性的脉冲光束。
光束采集单元20用来将偏振控制器12调节后的脉冲光束导入到分辨率板200上,它包括依次光路连接的光环形器21、准直器22、扩束透镜组23、衍射光栅24、聚焦透镜25。
光环形器21与偏振控制器12通过光纤连接,光环形器21上具有第一小孔211、第二小孔212以及第三小孔213。脉冲光束从光环形器21上的第一小孔211输入,从第二小孔212输出,到达准直器22。
准直器22与光环形器21通过光纤连接,用来将脉冲光束校直,使脉冲光束平行输出。
扩束透镜组23与准直器22光路连接,用来将脉冲光束的光斑进行放大,使得脉冲光束覆盖整个衍射光栅24。
衍射光栅24接收扩束透镜组23放大光斑后的脉冲光束,脉冲光束中不同波长的光沿不同方向发散。
聚焦透镜25将衍射光栅24发散后的光聚焦在光分辨率板200上,不同波长的光被分别聚焦在聚焦透镜25不同位置上,在本实施例中,聚焦透镜25与光分辨率板200平行设置。
光分辨率板200不同位置上反射率不同,并且不同波长的脉冲光束的强度分别被进行调制,光分辨率板200的图像信息被记录在脉冲光束的光谱中,不同波长的脉冲光束经过光分辨率板200反射后沿原路径返回,含有光分辨率板200的图像信息的脉冲光束到达光环形器21,在第二小孔212输入,从第三小孔213输出。
光束处理单元30与光环形器21通过光纤连接,用来对从第三小孔213输出的含有光分辨率板200的图像信息的脉冲光束进行处理,它包括掺铒光纤放大器31、第一耦合器32、可调光延迟线33、衰减器34、第二耦合器35、色散补偿光纤36。
掺铒光纤放大器31用来对脉冲光束的能量进行放大,在本实施例中,掺铒光纤放大器31有两个,其中一个掺铒光纤放大器31与光环形器21光路连接,另外一个掺铒光纤放大器31与色散补偿光纤36光路连接。
第一耦合器32与掺铒光纤放大器31通过光纤连接,它用来将含有光分辨率板200的图像信息的脉冲光束分成第一光束以及第二光束,实现光时分复用,在本实施例中,第一耦合器32为分光比为50:50的均分耦合器。
可调光延迟线33与第一耦合器32通过光纤连接,它用来将第一光束的脉冲信号进行延迟1/2Rp+τ+1/2Rs时间后输出,得到延迟光束,其中,Rp为脉冲光束的重复频率,Rs是采样频率,τ是延迟光束以及衰减光束耦合在一个信道上的时间间隔的补偿时间,以使得1/2Rp+τ是1/2Rs的整数倍,同时脉冲光束的能量会相应的减弱。
衰减器34与第一耦合器32通过光纤连接,它用来第二光束的能量进行衰减,得到衰减光束,以平衡第一光束以及第二光束的能量。
第二耦合器35分别与可调光延迟线33以及衰减器34通过光纤连接,用来将延迟光束以及衰减光束藕合在同一个信道上,在本实施例中,第二耦合器35为分光比为50:50的均分耦合器。
色散补偿光纤36与第二耦合器35通过光纤连接,它用来对含有光分辨率板200的图像信息的脉冲光束在时域上进行延展,实现谱域到时域上的映射。
光束接收单元40包括光电探测器41以及数字处理器42,用来接收掺铒光纤放大器31放大后的脉冲光束。
光电探测器41与掺铒光纤放大器31通过光纤连接,用来将含有光分辨率板200的图像信息的脉冲光束转换为电信号。
数字处理器42与光电探测器41通信连接,它用来处理光电探测器41发送来的电信号,还原出光分辨率板200的真实图像,在本实施例中,数字处理器42为计算机。
本实施例的基于光时分复用的超快速成像装置100的使用方法,包括以下步骤:
步骤一,将光分辨率板200平行放置在聚焦透镜25的一侧。
步骤二,开启飞秒激光器11,飞秒激光器11发射出超短激光脉冲,偏振控制器12将超短激光脉冲调节成偏振状态的脉冲光束,偏振状态的脉冲光束从第一小孔211输入,在第一小孔211输出后,进入准直镜22,准直镜22对偏振状态的脉冲光束进行校直使脉冲光束平行输出,扩束透镜组23对平行的脉冲光束的光斑进行放大后,衍射光栅24对脉冲光束中不同波长的光进行发散,发散后的不同波长的脉冲光束通过聚焦透镜25聚焦在光分辨率板200上,含有光分辨率板200的图像信息的脉冲光束沿聚焦透镜25、衍射光栅24、扩束透镜组23以及准直镜22返回到光环形器21上,从第二小孔212输入,在第三小孔213输出。
步骤三,掺铒光纤放大器31对从第三小孔213输出的脉冲光束的能量进行放大。
步骤四,第一耦合器32将脉冲光束分成第一光束以及第二光束,一第一光束通过可调光延迟线33进行脉冲信号的延迟,得到延迟光束,第二光束通过衰减器34对脉冲能量进行衰减,得到衰减光束,第二耦合器35将延迟光束和衰减光束耦合在一个信道上。
步骤五,色散补偿光纤36将耦合在一个信道上的脉冲光束在时域上进行延展,掺铒放大器31再将延展后的脉冲光束放大输出。
步骤六,光电探测器41接收放大输出后的脉冲光束的脉冲信号,并将脉冲信号转化为电信号,数字处理器42处理电信号,还原出光分辨率板200的真实图像。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于光时分复用的超快成像装置及方法,因为含有分辨率板的图像信息的脉冲光束通过第一耦合器分成第一光束以及第二光束,第一光束以及第二光束中都载有相同的分辨率板的图像信息;然后,第一光束的脉冲信号经可调光延迟线进行延迟,得到延迟光束,第二光束的能量经衰减器被衰减,得到衰减光束,第二耦合器再将延迟光束以及衰减光束耦合在一个信道上,这样,通过分别对延迟光束以及衰减光束的不同采样点进行采样,在数字处理器对图像处理时合成在同一帧图像上,还原出被检测物体的图像,使得在低采样率器件的条件下,克服了图像混叠效应。所以,本实施例的基于光时分复用的超快成像装置不仅解决的图像出现锯齿的问题,而且能够提高图像的像素点数,实现高保真成像。本实施例的基于光时分复用的超快成像的方法操作简单,易于实现。
上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光时分复用的超快成像装置,用于对被检测物体进行快速成像,其特征在于,包括:
光束发射单元,用于发射脉冲光束;
光束采集单元,与所述光束发射单元光路连接,用于将所述脉冲光束导入到设置在所述光束采集单元上的被检测物体上,并得到含有所述被检测物体的图像信息的脉冲光束;
光束处理单元,与所述信息采集单元光路连接,用于对含有所述被检测物体的图像信息的脉冲光束进行处理;以及
光束接收单元,与所述光束处理单元光路连接,用于接收所述光束处理单元处理后的所述脉冲光束并还原出所述被检测物体的图像,
其中,所述光束处理单元包括:
第一耦合器,用于将含有所述被检测物体的图像信息的脉冲光束分成第一光束以及第二光束,
可调光延迟线,与所述第一耦合器光路连接,用于将所述第一光束的脉冲信号进行延迟,得到延迟光束,
衰减器,与所述第一耦合器光路连接,用于将所述第二光束的能量进行衰减,得到衰减光束,
第二耦合器,分别与所述可调光延迟线以及衰减器光路连接,用于将所述延迟光束以及所述衰减光束耦合在同一个信道上。
2.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述光束发射单元包括用于发射脉冲光束的飞秒激光器以及用于将所述脉冲光束调制成偏振状态的偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述信息采集单元包括依次光路连接的用于传输所述脉冲光束的光环形器、用于校直所述脉冲光束的准直器、用于对所述脉冲光束的光斑进行放大的扩束透镜组、用于对所述脉冲光束中不同波长的光进行发散的衍射光栅以及用于对所述脉冲光束中不同波长的光进行聚焦的聚焦透镜。
4.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述光束处理单元还包括用于对含有所述被检测物体的图像信息的脉冲光束的能量进行放大的掺铒光纤放大器。
5.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述光束处理单元还包括用于对含有所述被检测物体的图像信息的脉冲光束在时域上进行延展的色散补偿光纤。
6.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述第一偶合器与所述第二耦合器均为分光比为50:50的均分耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述光束接收单元包括用于将含有所述被检测物体的图像信息的脉冲光束转换为电信号的光电探测器以及用于将所述电信号进行处理并还原出所述被检测物体的图像的数字处理器。
8.根据权利要求1所述的基于光时分复用的超快成像装置,其特征在于:
其中,所述可延迟光线延迟的时间为1/2Rp+τ+1/2Rs,其中,Rp为所述脉冲光束的重复频率,Rs是采样频率,τ是所述延迟光束与所述衰减光束到达所述第二耦合器的时间间隔的补偿时间。
9.一种基于光时分复用的超快成像方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,获取含有被检测物体的图像信息的脉冲光束;
步骤二,将含有被检测物体的图像信息的所述脉冲光束的能量放大;
步骤三,将步骤二中所述脉冲光束分成第一光束以及第二光束,将所述第一光束的脉冲信号进行延迟后得到延迟光束,将所述第二光束的脉冲能量进行衰减后得到衰减光束,将所述延迟光束和所述衰减光束耦合在同一个信道上;
步骤四,将耦合在同一个信道上的所述脉冲光束在时域上延展后,进行放大输出;
步骤五,接收放大输出后的所述脉冲光束的脉冲信号,并将所述脉冲信号转化为电信号,处理所述电信号后还原出所述被检测物体的图像。
10.根据权利要求9所述的基于光时分复用的超快成像方法,其特征在于:
其中,所述步骤一的过程为:飞秒激光器发射出脉冲光束,偏振控制器对所述脉冲光束的进行偏振处理得到偏振状态的脉冲光束,偏振处理后所述脉冲光束通过光环形器后,准直镜对所述脉冲光束进行校直,扩束透镜组对校直后的所述脉冲光束的光斑进行放大,衍射光栅对所述脉冲光束中不同波长的光进行发散,发散后的所述不同波长的光通过聚焦透镜聚焦在被测物体上得到含有所述被测物体图像信息的脉冲光束,含有所述被测物体图像信息的脉冲光束沿原路返回,到达所述光环形器。
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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 | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170104 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |