CN112986160B - 一种基于dkdp晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置，本发明提出一种基于DKDP晶体电光偏转效应的全光扫描相机，通过外部加载超快高压脉冲，使晶体的折射率随着电压值线性变化，实现对输入光信号做偏转扫描并采用ICCD相机采集以提高探测灵敏度。此外，通过引入半透半反的镜片对对激光脉冲做时间间隔调制，产生了固定时间间隔的激光脉冲，同时采用光栅对将不同的波长携带的信息搬移到不同的空间位置，再经过该全光扫描相机，获得波长随时间的变化过程，获得了二维空间、波长以及时间的四维信息。本发明提出的方案实现简单，性价比较高，能够实现高效高质量的多光谱超快成像技术。

Description

一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置
技术领域
本发明采用电光晶体的偏转特性设计了新型的扫描器件，采用灵敏度较高的ICCD作为记录器件设计了新型的扫描超快相机，使得其不仅具有超高的时间分辨率、还具有和条纹相机相当的响应灵敏度。采用编码重构的方法实现，属于计算摄像学领域。
背景技术
在诸如生物医学、生命科学、光物理、光化学的基础科学研究中，超快光谱诊断技术可实现超快荧光光谱测量、荧光寿命测量，从而实现对疾病的早期诊断等。以飞秒量级时间分辨观测理解基本化学反应机理，在生物物理学和生物化学领域已经成为一个很重要的学科。在半导体物理学及非线性光学研究领域，基本光学现象：例如载流子产生、迁移、复合过程的研究对改进材料特性、提高器件性能变得越来越重要。除此之外，超快成像技术还被广泛应用于重大科学工程中，如美国国家点火装置(National Ignition FacilityProject NIF)、Z箍缩(Zeta pinch Z-Pinch)、高功率激光装置(OMEGA)中均配备有光学/X射线条纹相机、分幅相机等超快诊断工具。在惯性约束核聚变ICF工程中，超快诊断技术可得到靶球内爆时间、内爆速度以及内爆压缩比，为研究等离子体不稳定性和聚爆对称性等问题提供关键依据。在同步辐射等大型装置中，超快诊断技术用于测量粒子团和光束的长度及其拉伸等束流性能，为重大装置的改进和性能提高提供有力的数据支撑。
条纹相机是目前时间分辨率较高的探测设备，其结构主要包括：前端光学系统将超快信号(光学信号)通过狭缝改造成一维空间信号，并清晰成像于变像管的光电阴极面上，待测信号转化为电子脉冲序列，且光电子的瞬态强度正比于待测信号的强度，光电阴极发射的电子脉冲序列复制了待测信号的时空信息。阴极发射的光电子经加速栅网加速后，进入一对偏转器构成的偏转电场，且偏转器上加载随时间线性变化的斜坡电压；由于不同时刻进入线性偏转器的电子束受不同电场力作用，不同时刻的电子束将偏转到不同空间位置，实现时间信息到空间信息的转化；偏转后的电子脉冲经聚焦透镜、MCP像增强器倍增后轰击荧光屏转化为可见光，并被CCD实时读出系统记录，得到待测信号光的时间信息。加州理工学院Lihong V Wang课题组采用编码重构的算法实现了二维超快成像即CUP技术。首先，待测瞬时信号经成像镜头成像于4f系统的物面；4f系统采用镜像结构，一个数字微反射镜装置放置于傅里叶面上，由数万个微反射镜组成，且每个微反射镜可独立控制“开关”，通过调节DMD实现对图像的感知压缩；信号光被DMD反射后，经显微物镜成像于条纹相机，经重构算法处理后获得信号光二维空间-时间-强度信息。利用CUP技术首次观察到激光脉冲的反射传播过程。CUP技术曝光时间高达10ps，帧频高达100Gfps，其在生物荧光测量等超快过程测量中有广阔的应用前景。
发明内容
本发明利用DKDP晶体的电光效应，结合ICCD相机实现超高帧频的二维成像；此外，利用半透半反的反射镜实现超短时间间隔脉冲调制并基于光栅的分光特性获得不同波长的位置调制。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置，在激光入射方向，设置有一对半透半反的镜片对，对激光脉冲做时间间隔调制，产生时间间隔超短且可调整的时序化脉冲；经由一对光栅组成的光栅搬移对，对不同光谱扫描、搬移，使光谱分布的方向与扫描的方向垂直，产生的光谱经成像镜头，MASK进行空间编码，经中继镜头中继到DKDP晶体，利用DKDP晶体的电光效应，加载高压超快脉冲使晶体内部的折射率随着高压脉冲的幅值线性变化，通过调节同步对入射到晶体上的光信号实现扫描偏转；短接成像镜头，收集经过电光晶体之后的光信号，采用镜头耦合的ICCD相机，即在光信号经聚焦后成像在由像增强器、耦合镜头以及CCD组成的高灵敏度相机上。
采用晶体的电光效应，利用超快电压脉冲实现对应折射率的变化，以实现输入脉冲的线性扫描。
采用直径25mm的像增强器，以及分辨率优于100lp/mm的耦合镜头以及CCD组成的高灵敏相机。
采用半透半反的镜片对，产生间隔可调的时序化脉冲，假定镜片对为L，则脉冲间隔为L/2c，c是光速，产生的时序化脉冲用于与采集的动态场景相互作用，L可调，因此产生的时序化脉冲的时间间隔可调。
激光脉冲的光谱在时间上有差别且时间间隔非常小在飞秒或者皮秒量级，激光与动态场景的作用过程即不通光谱与场景的作用过程，导致不同的光谱携带了不同的时间时刻动态场景的信息，只要对不同的光谱成像便获得场景的动态场景，经过光栅对可实现将光谱搬移到不同位置，光谱的分布顺序与后端采集相机的扫描方向垂直。
本发明的技术效果如下：1.利用DKDP晶体的电光调制效应，在晶体上加载超快的高压脉冲，使其折射率随着超快脉冲的电压幅值变化，通过调整同步设备以实现对输入光信号的扫描；2.为了产生超短时序脉冲，采用半透半反的镜片对，通过调整两个镜片的间距，以产生时间间隔超短且可调整的时序化脉冲；3.通过光栅衍射效应可将不同光谱携带的信息扫描到不同的位置上，以实现多光谱成像；4.为了提高探测器的探测灵敏度，采用ICCD相机做采集。
附图说明
图1基于DKDP晶体的超高速多光谱成像系统图
图2超短脉冲时间间隔产生原理图
图3多光谱实现原理图
具体实施方式
参考图1-3，下面通过实施来具体说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，采用光栅对实现对不同光谱携带的超快信息做位置偏移，使得光谱搬移方向与晶体的扫描方向垂直；如图所示，有镜头1实现收集视场内的所有光信号，之后进入了DKDP晶体和超快高压脉冲组成的扫描单元，之后短接了镜头使得光信号经聚焦后成像在由像增强器、耦合镜头以及CCD组成的高灵敏度相机上。系统主要包括：1，2光栅对，将携带不同信息的光谱搬移到不同的空间位置，频谱的排列方向和扫描方向垂直；3、成像镜头，收集视场内的光信号；4、mask，位于镜头3的成像面上；5、中继镜头将mask上的像中继到下一级成像器件；6、DKDP电光晶体，位于中继镜头的成像面上，在该电光晶体上加载高压超快脉冲，实现将不同时间信息的脉冲扫描到不同的空间位置；7、成像镜头，收集经过电光晶体之后的光信号；8、中继镜头，位于成像镜头7的成像面上；9、像增强器，将镜头8接收到的信号经过阴极转为光电子；10、耦合镜头，将像增强器荧光屏上的光信号耦合到CCD，采用镜头耦合的方式，大大提高了整个系统的空间分辨率；11、CCD。
如图2所示，对于入射的单束激光I，进入半透半反的镜片对，假定投射光为Ip，激光会在镜片中间来回反射与透射，产生了一系列的透射光如图中的Ip1,Ip2,Ip3等。由于两个镜片的间距L固定，所以Ip1，Ip2等透射光之间的时间间隔固定，以此类推。
如图3所示，G1和G2是两个光栅，组成一个光谱搬移的光栅对。结合光栅的衍射特性，采用光栅对实现光谱搬移，光谱分布的方向与扫描的方向垂直。
具体工作流程如下：
(1)在激光入射方向，有一对半透半反的镜片对，该镜片对对激光脉冲做时间间隔调制，产生时间间隔超短且可调整的时序化脉冲，该脉冲与动态场景作用；(2)通过MASK对其做空间编码，再经过光栅对，实现对不同光谱的搬移，使光谱分布的方向与扫描的方向垂直；(3)对产生的光谱经成像镜头，经中继镜头中继到DKDP晶体，利用DKDP的电光效应，加载高压超快脉冲使晶体内部的折射率随着高压脉冲的幅值线性变化，通过调节同步可对入射到晶体上的光信号实现扫描偏转。(4)端接成像镜头，收集经过电光晶体之后的光信号，采用镜头耦合的ICCD相机，即在光信号经聚焦后成像在由像增强器、耦合镜头以及CCD组成的高灵敏度相机上。

Claims (4)

1.一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置，其特征在于：在激光入射方向，设置有一对半透半反的镜片对，对激光脉冲做时间间隔调制，产生时间间隔超短且可调整的时序化脉冲，假定镜片对中两个镜片的间距为L，则脉冲间隔为τ,τ＝L/(2c)，c是光速，产生的时序化脉冲用于与采集的动态场景相互作用，L可调，因此产生的时序化脉冲的时间间隔可调；经调制后的脉冲经由一对光栅组成的光栅搬移对，对不同光谱扫描、搬移，使光谱分布的方向与扫描的方向垂直；产生的光谱经第一成像镜头(3)收集视场内的信号，在该镜头的成像面上放置一个透视式且光刻了随机码字的镜片(即MASK)对信号在像面进行空间编码；编码后的信号经第一中继镜头(5)中继到DKDP晶体，利用DKDP晶体的电光效应，加载高压超快脉冲使晶体内部的折射率随着高压脉冲的幅值线性变化，通过调节同步对入射到晶体上的光信号实现扫描偏转；短接第二成像镜头(7)，收集经过DKDP晶体之后的光信号；采用第二中继镜头(8)耦合的ICCD相机，即在光信号经聚焦后成像在由像增强器、耦合镜头以及CCD组成的高灵敏度相机上。
2.根据权利要求1所述的一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置，其特征在于：采用DKDP晶体的电光效应，利用超快电压脉冲实现对应折射率的变化，以实现输入脉冲的线性扫描。
3.根据权利要求1所述的一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置，其特征在于：采用直径25mm的像增强器，以及分辨率优于100lp/mm的耦合镜头以及CCD组成的高灵敏相机。
4.根据权利要求1所述的一种基于DKDP晶体实现扫描偏转的多光谱高速成像装置，其特征在于：激光脉冲的光谱在时间上有差别且时间间隔非常小在飞秒或者皮秒量级，激光与动态场景的作用过程即不同光谱与场景的作用过程，导致不同的光谱携带了不同的时间时刻动态场景的信息，只要对不同的光谱成像便获得场景的动态场景，经过光栅对可实现将光谱搬移到不同位置，光谱的分布方向与后端采集相机的扫描方向垂直。
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