CN111679547A - 一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统 - Google Patents

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杨磊
陈卉
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Abstract

本发明公开了一种基于非等间隔采样的光学时域延展成像系统，该系统主要包括色散傅里叶变换部分、空间频谱编码部分、空间光束传输系统、探测与采集系统。利用群速度色散系数较大的色散光纤对入射光脉冲进行时域拉伸，即色散傅里叶变换，实现频谱与脉冲时间信息的转换；使用色散元件将目标物的空间信息编码于宽带照明光场的不同波长上；接下来，利用空间光学传输系统控制光束的分布，实现空间信息的非等间隔采样，目标物信息丰富的部分采样光束密集，目标物信息少的部分采样光束稀疏；最后，被收集的光场由单像素光电探测器探测和高速示波器采集。本发明对于捕获瞬时现象、观测目标的重点部分、有效缩减数据量具有重要意义。

Description

一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统
技术领域
本发明属于光学成像领域，涉及到光学时域延展成像技术，适用于瞬时现象的超高速观测领域，具体为一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统。
背景技术
超高速实时成像是观测和研究瞬态物理现象、化学反应等不可或缺的工具，CMOS和CCD作为常用的成像工具，成像速率(小于1kHz)远远不能满足高速实时成像的需求。光学时域延展成像技术利用大色散系数的介质对入射光场进行色散傅里叶变换(DispersiveFourier transformation,DFT)和时域延展，将光场的光谱信息映射至时域，同时通过空间频谱编码获取目标物的信息，接下来利用高速光电二极管和宽带示波器采样并形成图像。光学时域延展成像技术是一种先进的超高速成像技术，成像速率等同于激光脉冲的重复频率。
但是，超高速成像产生的大量数据对于采集和存储提出了巨大的挑战，昂贵的采集和存储设备都极大的提高了实验成本，很大程度上限制了光学时域延展成像系统的工程化和实用化。
鉴于光学时域延展技术在高速实时测量领域的重要意义，需要研究一种可以突破高速成像数据采集和传输瓶颈的系统，对于整个装置的空间光束进行优化分布，目标物信息丰富的部分空间采样率高，图像分辨率高；目标物信息少的部分空间采样率低，图像分辨率低，节省数据采集和传输量。
发明内容
针对现有技术中成像时产生的大量数据的采集和存储带来了巨大的挑战的问题，本发明的目的在于提供一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，以有效减小图像数据量、且保持图像质量。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，包括：
包括色散傅里叶变换部分、空间频谱编码部分、空间光束传输系统、探测和数据采集系统，
所述色散傅里叶变换部分，利用具有群速度色散系数较大的色散光纤对于入射的光脉冲进行时域拉伸，实现光场频率与时间的一对一映射；
所述空间频谱编码部分，使用色散元件将宽光谱的照明光场色散至被测目标的不同空间位置，光场的频谱携带目标的空间信息，可实现波长与空间信息的一对一映射；
所述空间光束传输系统，通过光学元件的布局和特殊面形设计，调整光场在整个空间的分布状况，实现被测对象的非等间隔空间采样，目标物关键部分采取高采样，目标物非关键部分采取低采样；
所述探测和数据采集部分，实现光场经过超快光电二极管探测并由高速模拟示波器采集后经过计算机处理，获取超高速的图像序列。
使用时，激光器产生的脉冲光经过色散光纤补偿后，历经色散傅里叶变换过程，实现波长与脉冲时间序列的一对一映射。携带时间信息的光束经过衍射光栅分光后，经过空间光学传输系统准直入射至被测目标，不同波长照明光场入射样品的不同空间位置，实现频谱编码成像。利用空间系统中透镜组的光束控制，实现光束的空间特定分布即非等间隔采样。目标物信息丰富部分光束密集，空间采样率高；目标物信息少部分光束稀疏，空间采样率低。而后将携带目标物空间信息的光场进行合束，由耦合器进行空间光场的收集。耦合器输出的光场由超快探测和采集系统进行后续的处理和图像重建。
本发明公开了一种基于非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，对于解决超快光学成像系统大数据量的采集和存储具有重要意义。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，利用光学传输系统中透镜面形特殊设计和合理的排布，将空间色散的光束主要入射目标物的中心部分，少量光束入射目标物的边缘部分，既保障了有用信息的重点采集，也节省了有限的光束资源。
光束密集采集的部分对应于高采样率，数据量大，重建图像分辨率高；光束稀疏采集的部分对应于低采样率，数据量小，重建图像分辨率低。
成像系统中利用高采样率获取关键信息，低采样率获取边缘信息，即保证了图像有用信息的不丢失，也节省了大量的数据资源。
该技术的实现有利于降低实验仪器成本，推进系统的工程化和实用化。
附图说明
图1为基于非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统的结构示意图；
图2a为常见的光束等间隔分布的成像系统式样示意图；
图2b为本发明的光束非等间隔分布的成像系统式样示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，包括色散傅里叶变换部分、频谱编码和空间光束传输系统部分、探测和采集系统。
其中，锁模光纤激光器输出重复频率为100MHz、脉宽为800fs、波长范围为1547-1555nm的脉冲光场，序列脉冲光首先经过3km色散补偿光纤历经色散傅里叶变换，并在时域上展宽。色散补偿光纤的色散系数D＝-120ps/nm/km，光脉冲在时域上展宽为3ns。
其中，在空间频谱编码部分，携带信息的光束经过衍射光栅(600线/mm，闪耀角28o)后在空间色散分光，不同波长的光波注入目标的不同空间位置，携带空间信息的光场被耦合器收集。
其中，空间光学传输系统主要包括透镜组1-5组成。透镜1是柱形透镜，主要作用是光束扩束；透镜2-5均为平凸透镜，组成了一个具有对称结构的空间4f系统，负责光束的控制和收集；通过改变透镜2-5的面形和材料，使光束在空间以非等间隔的式样分布，采集样品的不同部分。
另外，光束在样品上的空间分布如图2a和图2b所示。图2a为常见的成像系统式样，光束等间隔分布；图2b为本发明的成像系统式样，光束非等间隔分布，中间光束密，边缘光束稀疏。
其中，高速光电探测器的带宽为20GHz，响应时间约为40ps；超快模拟示波器的带宽为13GHz，采样率80GSa/s。
对于样品形貌图像重现来说，利用非等间隔空间采样的方法，虽然降低了样品边缘的分辨率，形成图像的边缘空间分辨率也降低，但是由于实现中多数样品均为中心信息多、边缘信息少，因此形成图像的质量与等间隔采样图像的质量基本一致，而且极大的降低了数据采集量。
本发明可根据目标样品本身信息的分布情况，调整空间光束的分布和采样，以保证重要信息的高采样率、高分辨率重现，并有效降低总数据量。
需要说明的是，本申请中未详述的技术方案，采用公知技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，其特征在于，包括：
包括色散傅里叶变换部分、空间频谱编码部分、空间光束传输系统、探测和数据采集系统，
所述色散傅里叶变换部分，利用具有群速度色散系数较大的色散光纤对于入射的光脉冲进行时域拉伸，实现光场频率与时间的一对一映射；
所述空间频谱编码部分，使用色散元件将宽光谱的照明光场色散至被测目标的不同空间位置，光场的频谱携带目标的空间信息；
所述空间光束传输系统，通过光学元件的布局和特殊面形设计，调整光场在整个空间的分布状况，实现被测对象的非等间隔空间采样，目标物关键部分采取高采样，目标物非关键部分采取低采样；
所述探测和数据采集部分，实现光场经过超快光电二极管探测并由高速模拟示波器采集后经过计算机处理，获取超高速的图像序列。
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