CN107462328B - 超连续谱照明空间门弹道光成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超连续谱照明空间门弹道光成像装置和方法。该成像光路上依次设有透镜，水，透镜，成像目标物体，透镜，空间滤波器，透镜及CCD；超连续谱照明抑制散斑使之成为均匀噪声背底；直接空间门选通弹道光成像利用低通滤波器滤除散射光噪声；直接空间门选通弹道光成像利用高通滤波器可以得到噪声背底，再用超连续谱照明成像减去噪声背底提取弹道光成像结果。该成像方法为：将飞秒激光聚焦到水中产生超连续谱，利用超连续谱照明，再利用空间滤波技术选通弹道光成像。本发明具有光路简单、成像对比度高的特定，迂回空间门还具有高分辨率的特点。
Description
技术领域
本发明属于超快速成像与测量技术领域，涉及一种超连续谱照明空间门弹道光成像装置和方法。
背景技术
发展超快速成像与测量技术，在高速碰撞、高速流场、高压放电、视觉机制等瞬态过程研究领域，有着重要的应用价值。通常，利用光电技术可以实现毫秒至亚皮秒的高时间分辨成像，然而在分子结构动力学，超快速表面振动过程、极端时间分辨荧光显微成像等领域需要更快时间分辨能力，必须使用基于超快脉冲的光子成像技术。
在以超短脉冲作为照明光源实现超快速成像与测量时，成像系统的杂散光或者散射环境中的散射光会因为其自身的较强的相干性在探测器处发生随机性干涉而产生散斑。散斑是一种随机紊乱的“沸腾状”光场分布现象，它的存在会严重影响不受散射影响的弹道光成像的辨识度。
超连续谱具有皮秒量级的时间分辨能力，并且具有带宽大、稳定性好、重复频率由泵浦光源决定等特点，在快速成像与测量技术领域具有重要的应用价值。目前，超连续谱光源主要应用于荧光成像、荧光寿命成像、全反射式荧光显微|、单分子成像、宽频光谱学、光学同调断层扫描术、流式细胞仪等领域。因为其带宽大的特点，所以它的时间相干性相对于窄带超短脉冲严重退化。因此在超快速成像与测量中，以超连续谱作为照明光源可显著的抑制散斑，使其变成均匀的噪声背底，提高成像辨识度。
进一步，在强散射环境中，尤其在光学深度大于10的情况下，即使散斑被抑制，但因为散射光并没有被滤除而被探测器接受，所以成像对比度下降。当光学深度进一步增大时，目标物体成像完全被散射光背底淹没。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超连续谱照明空间门弹道光成像装置和方法，能够实现强散射环境中物体高辨识度、高对比度、高分辨率成像。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种结合超连续谱照明的空间门弹道光成像方法，(1)将飞秒激光器出射的飞秒脉冲激光聚焦在蒸馏水中产生超连续谱，并由第二凸透镜收集通过散射环境中目标物体。(2)被目标物体调制的超连续谱经第三凸透镜聚焦通过空间滤波器后由第四凸透镜收集在CCD上。空间滤波器是指高通滤波器或低通滤波器
超连续谱具有600nm的光谱宽度。
在散射环境光学深度(OD＝ln(II0)，I为由散射环境透射的光强，I0为入射散射环境的光强)小于6的散射条件下，通过光阑调控飞秒激光空间分布以及调节入射光场强度来产生稳定而且分布均匀的超连续谱光场分布。在光学深度大于6的散射条件下，增强飞秒激光功率聚焦到水中产生强的超连续谱来作为成像照明光源。
在散射环境光学深度小于6的散射条件下，不通过任何空间滤波器直接成像。在光学深度大于6的散射条件下，结合空间滤波器选通弹道光成像。
使用低通滤波器实现直接空间门弹道光成像，选通信号为：|Elow|2。Elow为目标物体低频成分。
使用高通滤波器实现迂回空间门弹道光成像。适用高通滤波器选通光信号为：|Ehigh|2+Ibackground。Ehigh为目标物体高频成分，Ibackground为散射光背底噪声。用不加任何空间门收集的光信号图像减去使用高通滤波器选通的光信号图像得到迂回空间门选通弹道光图像光场分布为：|Elow|2+2Elow·Ehigh。
飞秒激光器发出飞秒激光依次通过第一光阑，盛有蒸馏水的水池，第二凸透镜，第二光阑，目标物体，第三凸透镜，低通或者高通空间滤波器，第四凸透镜，CCD。
目标物体设置在第三凸透镜的前焦面上，空间滤波器设置在第三凸透镜的后焦面上并同时设置在第四凸透镜的前焦面上，CCD设置在第四凸透镜组的后焦面上。
飞秒激光器经过放大器输出的重复频率为1kHz；所述的第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜的透光孔径均为5～10cm；所述的低通滤波器的孔径可以1～5mm调节；所述的高通滤波器中心1mm直径为不透光区域，周围为透明区域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的超连续谱照明结合空间门滤波选通弹道光成像技术，是用超连续谱作为照明光源代替传统的超短脉冲光源。因为超连续谱的时间相干性退化，使得其本身相干性下降，可明显抑制成像系统或者环境中散射介质对照明光源散射引起的散斑，提高成像辨识度。并且超连续谱脉冲有皮秒量级的时间分辨能力，因此超连续谱单脉冲作为照明光源可以应用于高速运动场成像。
本发明提供的超连续谱照明结合空间门滤波方法选通弹道光成像技术中超连续谱由飞秒激光聚焦到水中产生，容易实现。并且由于时间相干性相对于传统的超短脉冲降低，作为直接照明光源可以抑制成像系统中散斑的形成，提高成像辨识度。在动态散射环境中，不同时刻下，成像面会有不同的散斑模式，多个散斑场叠加可以抑制散斑。具体的，M个散斑场叠加，每个散斑场的散斑对比度都为C(C＝δI)，这里σ为光场标准差，<I>为光场的平均强度)，则散斑对比度下降为
但在超快成像和测量中，因为需要单脉冲成像，因为本身较强的相干性容易带来散斑干扰，但传统的超短脉冲散斑场并不能通过多个散斑模式叠加来抑制。因此，在超快成像和测量中，传统的超短脉冲的散斑问题变得更加突出。而超连续谱在保证了超快时间分辨能力的前提下，因为其极大的谱宽而时间相干性降低来抑制成像中散斑的形成。
本发明提供的超连续谱照明结合空间门滤波选通弹道光成像技术，在强散射环境下引入空间滤波滤除散斑抑制后的均匀散射光背底，可提高成像对比度。在散射条件较弱的情况下，可以通过光阑调控飞秒激光空间分布以及调节光场强度来产生稳定而且分布均匀的超连续谱光场分布。这样的超连续谱可以作为散射环境中物体成像的理想光源，散斑得到抑制，散射光背底较弱，并且弹道光高频成分和低频成分同时被收集成像，因此无需空间门滤波就可实现高辨识度、高对比度、高分辨率成像；如果散射环境光学深度较大并且分辨率要求不苛刻的条件下，则可引入直接空间门选通弹道光，一次性得到高辨识度、高对比度成像；如果在光学深度较大并且分辨率要求较高的条件下，直接空间门如果孔径太小则系统分辨率急剧下降，如果太大则成像对比度不理想问题。这时，因为超连续谱显著的抑制了散斑，使得散射光噪声成为均匀的光场分布，可引入迂回式空间门分两步提取弹道光成像，可避免成像高频成分的丢失，保证高的分辨率。在光学深度进一步增大时，在光学探测器饱和范围内收集到的弹道光太弱，使用迂回式空间门方法不能成像，使用直接空间门为了实现较高的对比度则会严重降低系统分辨率。这种情况下，可以结合两种空间门，首先使用较大的低通滤波器，滤除一部分散射光并保留较多的空间频率成分得到原始图像；然后，在低通滤波器中心放置高通滤波器，得到散射光背底；最后用迂回式空间门同样的方法，两图像相减得到最终成像结果。本发明提供的超连续谱照明结合空间门滤波选通弹道光成像技术，相对其他的成像方法，光路简单，适用光学深度范围大，并且在不同需求下可选择不同的空间门选通弹道光成像。
附图说明
图1是本发明提供的超连续谱照明结合空间门滤波选通弹道光成像装置的示意图；
其中：1、飞秒激光器；2、第一光阑；3、为第一凸透镜；4、为蒸馏水；5、为第二凸透镜；6、为第二光阑；7、为成像目标；8、为散射介质；9、为第三凸透镜；10、为空间滤波器；11、为第三光阑；12、为CCD。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的超连续谱照明结合空间门滤波选通弹道光成像技术，是将飞秒脉冲激光聚焦到水中产生超连续谱作为照明光源对散射环境中的目标物体实现高辨识度成像，然后结合空间门滤波提高成像对比度。超连续谱直接照明成像的光信号为|Elow+Ehigh|2+Ibackground，其中Ibackground为均匀散射光背底，Ehigh和Elow分别为弹道光电场高频和低频成分。仅仅用超连续谱直接照明可以抑制散斑,时期变成均匀的噪声背底,提高成像辨识度。这种方法适用于较弱的散射环境。超连续谱照明结合直接空间门收集光信号为：|Elow|2,散射光噪声得到滤除，这种方法适用于较强的散射条件，但因为低通滤波的原因空间分辨率下降，它适用于分辨率要求不高的情况经过一步就可得到高辨识度、高对比度的图像结果。超连续谱照明结合迂回空间门收集光信号：|Elow|2+2Elow·Ehigh这种方法适用于较强散射条件，并且弹道光高、低频成分都被收集提高了成像边缘锐利度和系统的成像分辨率。上述空间门经过两步分别得到超连续谱照明但没有空间的成像结果和散射光和弹道光高频成分的图像，然后前者减去后者得到最终的弹道光成像。在极强散射环境下，还可以将两种空间门结合使用。具体的，按照迂回式空间门分两步，第一步得到超连续谱结合一个孔径较大的光阑成像结果，第二步在光阑滤波的同时加入一个中心直径为1mm的高通滤波器得到散射光背底和部分弹道光高频成分组成的图像，然后将两者相减得到成像结果。
如图1所示，本发明提供的一种超连续谱照明结合空间滤波的弹道光成像装置，包括沿光路方向依次设置：飞秒激光器1，第一光阑2，第一凸透镜3，蒸馏水的水池4，第二凸透镜5，第二光阑6，成像目标物体7，散射介质8，第三凸透镜9，空间滤波器10(高通或者低通)，第四凸透镜11，CCD12上。
所述的待测目标设置在第三凸透镜的前焦面上，空间滤波器设置在第三凸透镜的后焦面上并同时设置在第四凸透镜的前焦面上，CCD设置在第四凸透镜的后焦面上。
所述的低通滤波器为1-5mm直径可调的光阑。
所述的高通滤波器为中心直径为1mm的不透明，周围透明的理想高通滤波器。
所述的凸透镜的透光孔径均为5-10cm；
所述的盛放蒸馏水的水池尺寸为5cm*5cm*5cm。
参见图1，本发明提供的一种超连续谱照明结合空间滤波的弹道光成像装置，据权利要求8所述的超连续谱照明结合空间滤波的弹道光成像装置，其特征在于：所述的待测目标7设置在第三凸透镜6的前焦面上，空间滤波器10设置在第三凸透镜9的后焦面上并同时设置在第四凸透镜11的前焦面上，CCD12设置在凸透镜组的后焦面上。
本发明的超连续谱照明结合空间滤波的弹道光成像装置的优选参数如下：
飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz；第一凸透镜3、第二凸透镜5、第三凸透镜9、第四凸透镜11的透光孔径均为5-10cm，第一凸透镜3、第二凸透镜5、第三凸透镜9、第四凸透镜11的焦距分别为15cm、10cm、15cm和20cm；盛放蒸馏水的水池(4)尺寸为5cm*5cm*5cm；空间滤波器可根据实际需求，高通和低通替换使用。其中低通滤波器为1-5mm直径可调的光阑,高通滤波器为中心直径为1mm的不透明，周围透明的理想高通滤波器。
参见图1，该成像方法具体包括以下步骤：
1)将飞秒激光器出射的飞秒脉冲激光经光阑衍射调制后聚焦在蒸馏水中；
2)飞秒激光聚焦到蒸馏水中产生超连续谱，产生的超连续谱锥角发散出射，再经第二凸透镜收集照射到成像目标上。
3)携带待测目标形貌信息后，超连续谱经第三凸透镜聚焦自由传播由第四凸透镜收集并在CCD上成像；
4)携带待测目标形貌信息后，超连续谱经第三凸透镜聚焦后经过空间滤波器由第四凸透镜收集并在CCD上成像；
5)在使用直接式空间门时，跳过步骤3)直接获得成像结果；
6)在使用迂回式空间门时，用步骤3)得到的成像减去步骤4)的成像，得到迂回式空间门选通弹道光成像。
进一步的，两种空间门也可联合使用，即将步骤5)所得图像作为原始图像，然后返回步骤4)，在低通滤波器中心放置高通滤波器再次得到图像，两者相减得到超连续谱照明结合直接和迂回式两种空间门的成像结果。
进一步的，所述的低通滤波器的孔径可以1～5mm调节。
进一步的，所述的高通滤波器为1mm理想高通滤波器。
进一步的，在实现迂回式空间门成像使，用步骤3)所得图像减去步骤4)的过程可通过Matlab软件实现。
为了证实本发明的效果，下面结合附图和两个具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例以隐藏于光学深度(OD)为9的聚苯乙烯微球悬浊液中鉴别率板作为待测样品，鉴别率板(美军标1951USAF分辨率板，符合美国MIL-STD-150A标准)作为待测样品。该鉴别率板上的图案包括几组由三条短线构成组合，短线的尺寸从大到小，这种测试图广泛地应用于测试光学成像系统(如显微镜和相机)的分辨能力。以此模拟超连续谱照明对于大量散射环境中隐藏物体成像的能力。具体实施步骤如下：
1)将飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz的飞秒脉冲激光照射到分辨率板上。
2)超连续谱经物体调制携带待测目标形貌信息后，透过3.13μm直径的聚苯乙烯小球悬浊液。悬浊液厚度为1cm。
3)从悬浊液中出射的光经第三凸透镜聚焦自由传播由第四凸透镜收集并在CCD上成像作为参考。
4)将激光器出射的飞秒激光经光阑衍射调制后聚焦在5mm*5mm*5mm水池盛放的蒸馏水中；
5)飞秒激光聚焦到蒸馏水中产生超连续谱按照步骤1-4作为在CCD上成像；
实验结果可以看到，超连续谱照明成像的散斑相对于超短脉冲成像明显得到抑制，成像辨识度显著提高。
实施例2
本实施例以隐藏于OD＝11的聚苯乙烯微球悬浊液中鉴别率板作为待测样品，模拟超连续谱照明结合空间滤波的弹道光成像对于大量散射环境中隐藏物体成像的能力。鉴别率板同实例1中所述。具体实施步骤如下：
1)将飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz的飞秒脉冲激光照射到分辨率板上。
2)超连续谱经物体调制携带待测目标形貌信息后，透过3.13μm直径的聚苯乙烯小球悬浊液。悬浊液厚度为1cm。
3)从悬浊液中出射的光经第三凸透镜聚焦自由传播由第四凸透镜收集并在CCD上成像作为参考。
4)将激光器出射的飞秒激光经光阑衍射调制后聚焦在5mm*5mm*5mm水池盛放的蒸馏水中；
5)飞秒激光聚焦到蒸馏水中产生超连续谱按照步骤1-4作为在CCD上成像。
6)与步骤5相同，但在第三凸透镜的后焦面上放置孔径5mm的光阑，得到直接空间门选通弹道光成像结果。
7)与步骤5相同，但在第三凸透镜的后焦面上放置孔径1mm的高通滤波器得到噪声背底的成像结果。
8)再用步骤7)得到的图像减去此噪声背底图像得到迂回空间门选通弹道光成像结果。
实验结果可以看到，超连续谱照明成像的散斑相对于超短脉冲成像明显得到抑制，成像辨识度显著提高，但对比度很低。超连续谱照明直接空间门成像对比度明显提高，但因为低通滤波的原因物体边缘模糊，分辨率有所下降。迂回式空间门成像不仅对比度提高，而且空间分辨率没有退化。
实施例3
本实施例以隐藏于OD＝17的聚苯乙烯微球悬浊液中鉴别率板作为待测样品，模拟超连续谱照明结合空间滤波的弹道光成像对于大量散射环境中隐藏物体成像的能力。鉴别率板同实例1中所述。具体实施步骤如下：
1)将飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz的飞秒脉冲激光照射到分辨率板上。
2)超连续谱经物体调制携带待测目标形貌信息后，透过3.13μm直径的聚苯乙烯小球悬浊液。悬浊液厚度为1cm。
3)从悬浊液中出射的光经第三凸透镜聚焦自由传播由第四凸透镜收集并在CCD上成像作为参考。
4)将激光器出射的飞秒激光经光阑衍射调制后聚焦在5mm*5mm*5mm水池盛放的蒸馏水中；
5)飞秒激光聚焦到蒸馏水中产生超连续谱按照步骤1-3通过第三凸透镜CCD上成像。其中，在第三凸透镜后焦面上加入5mm光阑。
6)在步骤5的基础上在光阑中心加入1mm的高通滤波器，得到一个噪声背底图像。
7)用步骤5中的成像结果减去步骤6的成像结果得到超连续谱照明结合两种空间门结合选通弹道光成像结果。
实验结果可以看到，极强散射的条件下，800nm超短脉冲激光成像中，物体信息完全被散射噪声淹没。超连续谱照明结合两种空间门结合选通弹道成像结果具有较高的辨识度，对比度和分辨率。
Claims (6)
1.一种超连续谱照明的空间门弹道光成像方法，其特征在于：(1)飞秒激光器出射的飞秒脉冲激光经第一光阑被第一凸透镜聚焦在蒸馏水中产生超连续谱，产生的超连续谱锥角发散出射，再经第二凸透镜收集照射到成像目标上；通过的超连续谱经第三凸透镜聚焦并通过空间滤波器后由第四凸透镜收集在CCD上，空间滤波器是指高通滤波器或低通滤波器；
(2)散射环境光学深度，OD＝ln(I/I0)，I为由散射环境透射的光强，I0为入射散射环境的光强，在散射环境光学深度小于6的散射条件下，通过光阑调控飞秒激光空间分布以及调节入射光场强度来产生稳定而且分布均匀的超连续谱光场分布，在散射环境光学深度大于6的散射条件下，提高聚焦到水中的飞秒脉冲激光的功率，产生空间高强度的超连续谱作为照明光源；
在散射环境光学深度小于6的散射条件下，不通过任何空间滤波器直接成像，在光学深度大于6的散射条件下，结合空间滤波器选通弹道光成像。
2.根据权利要求1所述的一种超连续谱照明的空间门弹道光成像方法，其特征在于：超连续谱具有600nm的光谱宽度。
3.根据权利要求1所述的一种超连续谱照明的空间门弹道光成像方法，其特征在于：使用低通滤波器实现直接空间门弹道光成像，选通信号为：|Elow|2，Elow为目标物体低频成分。
4.根据权利要求1所述的一种超连续谱照明的空间门弹道光成像方法，其特征在于：使用高通滤波器实现迂回空间门弹道光成像，使用高通滤波器选通光信号为：|Ehigh|2+Ibackground，Ehigh为目标物体高频成分，Ibackground为散射光背底噪声，用不加任何空间门收集的光信号图像减去使用高通滤波器选通的光信号图像得到迂回空间门选通弹道光图像光场分布为：|Elow|2+2Elow·Ehigh，Elow为目标物体低频成分。
5.一种超连续谱照明空间滤波的弹道光成像装置，其特征在于：飞秒激光器发出飞秒激光依次通过第一光阑，第一凸透镜，盛有蒸馏水的水池，第二凸透镜，第二光阑，目标物体，第三凸透镜，低通或者高通空间滤波器，第四凸透镜，CCD；第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜的透光孔径均为5～10cm；所述的低通空间滤波器的孔径可以1～5mm调节；所述的高通空间滤波器中心1mm直径为不透光区域，周围为透明区域。
6.根据权利要求5所述的一种超连续谱照明空间滤波的弹道光成像装置，其特征在于：所述的目标物体设置在第三凸透镜的前焦面上，低通或者高通空间滤波器设置在第三凸透镜的后焦面上并同时设置在第四凸透镜的前焦面上，CCD设置在第四凸透镜组的后焦面上。
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Family Applications (1)
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| CN201710626454.3A Expired - Fee Related CN107462328B (zh) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | 超连续谱照明空间门弹道光成像装置和方法 |
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|---|---|---|---|---|
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- 2017-07-27 CN CN201710626454.3A patent/CN107462328B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Time-resolved single-shot imaging of femtosecond laser induced filaments using;Lihe Yan等;《Applied Physics Letters》;20120313;正文第111107-1页右栏第23行至111107-2页左栏第13行，图1以及图1说明 * |
Also Published As
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