CN114051106A - 一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法，以解决FRAME方法存在各时刻图像频域信息串扰影响频域重建动态场景空间分辨率及画幅数少的技术问题。该系统中脉冲光源用于发射n个具有不同波长的光脉冲，n≥2且n为整数；沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元、高速场景发生单元、4f空间光谱滤波单元；图像采集单元接收4f空间光谱滤波单元的输出信号，图像采集单元与数据处理单元相接。该方法包括：脉冲光源发射n个不同波长的光脉冲；生成结构光脉冲序列；形成结构信号光脉冲序列；通过空间光谱滤波器上对应的通光孔和滤波片消除频域高频串扰；采集空域像并进行曝光；采用频域重建算法重建的图像序列并显示。

Description

一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法
技术领域
本发明涉及高速成像技术领域，具体涉及一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法。
背景技术
物理、化学和生物学中的重要科学问题都依赖于高速光学成像技术来进行研究。这些高速光学成像技术可以被动地依靠光敏元件的快速读出，也可以主动地依靠特殊设计的脉冲序列的照明特性快速读出。
由于传统CCD和CMOS成像器件的速度受电子存储及读取速度限制，被动高速数字成像的帧频和空间分辨率之间相互制约。因此，高帧频的大画幅二维甚至三维超快成像技术更多地依赖于计算成像技术。参考文献“Gao L.，Liang J.，Li C.et al.Single-shotcompressed ultrafast photography at one hundred billion frames persecond.Nature 516，74–77(2014).”中提出的压缩感知超快成像技术(CompressedUltrafast Photography，CUP)将一维空间超快成像器件条纹相机与DMD结合使用，采用压缩感知算法实现了达到百飞秒量级的超快成像。然而，CUP发展至今空间分辨率(672×512像素，0.36lp/mm)依然不足以支撑较复杂动态现象的高质量成像。由于被动成像的种种局限性，更高速的成像系统已经转向基于主动照明的成像方式。
传统高速主动成像技术采用超快激光照射样品采集一帧瞬时画面，若要采集多帧就需采用泵浦-探针的方式，获取的动态图像序列不具备相关性，因此仅适用于可重复动态场景，例如，参考文献“Andreas Velten，Di Wu，Adrian Jarabo，Belen Masia，ChristopherBarsi，Chinmaya Joshi，Everett Lawson，Moungi Bawendi，Diego Gutierrez，and RameshRaskar，“Femto-photography:capturing and visualizing the propagation oflight”，2013，32(4)：Article No.44.”中麻省理工学院的Andreas Velten等人拍摄光的传播过程。然而对于非重复性的动态场景，如高速射流场，子弹发射过程，爆炸瞬间碎片分布等，泵浦-探针式的超快成像方法不能满足要求。
现有的主动高速成像技术通过设计特殊的脉冲序列来照明动态目标，利用脉冲序列的光谱、偏振或空间调制等特性来编码不同时刻的瞬态信息，并通过信号光光谱、偏振和频域解码的方式记录瞬态图像序列。例如，在参考文献“Nakagawa K.,Iwasaki A.,OishiY.et al.Sequentially timed all-optical mapping photography(STAMP).NaturePhoton 8，695–700(2014).”中，东京大学的Nakagawa等人于2014年提出的STAMP通过光谱啁啾将照明激光脉冲在时间和空间上序列化，实现了4.4×1010fps的成像帧频；2015年其课题组又提出SF-STAMP，采用衍射光学元件(DOE)和带通滤波器(BPF)简化STAMP系统并提升了成像画幅数，参见文献“Takakazu Suzuki,Fumihiro Isa,Leo Fujii,KenichiHirosawa,Keiichi Nakagawa,Keisuke Goda,Ichiro Sakuma,and Fumihiko Kannari,"Sequentially timed all-optical mapping photography(STAMP)utilizing spectralfiltering,"Opt.Express 23,30512-30522(2015)”，但STAMP光源复杂且亮度低，成像需要低噪声成像器件如制冷CCD。2017年隆德大学Andreas Ehn等人在参考文献“A.Ehn,J.Bood,Z.Li,E.Berrocal,M.Aldén,and E.Kristensson,"FRAME:femtosecond videography foratomic and molecular dynamics,"Light Sci.Appl.6,e17045(2017)”中公开了利用结构光照明频域恢复技术一次性采集了4帧图像，可在保持较大画幅及较高空间分辨率的情况下实现MHz以上的成像帧频，极具发展前景。但FRAME存在各时刻图像频域信息串扰影响频域重建动态场景空间分辨率及画幅数少的问题。
因此，目前亟需发展一种新的高速成像技术，以满足高时间分辨、高空间分辨率以及多画幅成像的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有泵浦-探针式的超快成像方法不能满足非重复性的动态场景，STAMP系统中光源复杂且亮度低，对成像器件要求高，FRAME方法存在各时刻图像频域信息串扰影响频域重建动态场景空间分辨率及画幅数少的技术问题，提出一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法。
本发明提供的技术方案为：
一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特殊之处在于：包括脉冲光源、结构光序列产生单元、高速场景发生单元、4f空间光谱滤波单元、控制单元、图像采集单元及数据处理单元；
所述脉冲光源用于发射n个光脉冲，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长；
沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元、高速场景发生单元、4f空间光谱滤波单元；
所述4f空间光谱滤波单元包括第一傅里叶透镜、空间光谱滤波器及第二傅里叶透镜，空间光谱滤波器位于第一傅里叶透镜的后焦面和第二傅里叶透镜的前焦面；
所述空间光谱滤波器包含n对通光孔，每对关于中心对称的通光孔安装相同的滤波片，n对通光孔中安装的滤波片的滤波范围不同，n对通光孔中安装的滤波片透过的波长与n个光脉冲的波长一一对应；
所述控制单元分别与脉冲光源、图像采集单元相连接，用于控制脉冲光源发射光脉冲，且在光脉冲通过4f空间光谱滤波单元后，同步控制图像采集单元启动；
4f空间光谱滤波单元输出的信号由图像采集单元接收，图像采集单元与数据处理单元相接；
所述数据处理单元用于接收图像采集单元采集的图像信号重建高速图像。
进一步地，所述结构光序列产生单元包括多个并行的光栅，用于产生条纹结构光脉冲。
进一步地，所述脉冲光源发射的光为可见光。
进一步地，所述图像采集单元为CCD相机或CMOS相机。
本发明中通过设置包含n对通光孔的空间光谱滤波器，且每对关于中心对称的通光孔安装相同的滤波片，n对通光孔中安装的滤波片的滤波范围不同，仅使用单个探测器构成的相机就能做到高帧频(>1MHz)、多画幅(>4幅)、全画幅的高速成像，可以理解的是，本发明提供的空间光谱滤波频域重建高速成像系统具有灵活性和可扩张性，相机的数量可以根据需要增加。
本发明还提供一种空间光谱滤波频域重建高速成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、脉冲光源发射n个光脉冲形成光脉冲序列，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长，脉冲光源发射光脉冲时间间隔与高速场景发生单元中的帧间隔相等；
S2、光脉冲序列经过结构光序列产生单元生成由n个结构光脉冲构成的结构光脉冲序列，每个所述结构光脉冲具有不同的条纹方向或频率；
S3、结构光脉冲序列经过高速场景发生单元产生的待测目标场景，形成携带有待测目标场景不同时刻动态信息的结构信号光脉冲序列；
S4、结构信号光脉冲序列进入4f空间光谱滤波单元，第一傅里叶透镜将结构信号光脉冲序列从空域像转换为频域像，并将结构信号光脉冲序列频域像成像在空间光谱滤波器上；
结构信号光脉冲序列的频域像通过空间光谱滤波器上对应的通光孔和滤波片，消除了待测目标场景不同时刻结构信号光脉冲之间的频域高频串扰；
第二傅里叶透镜将空间光谱滤波器处理后的结构信号光脉冲序列频域像转换为空域像，并将结构信号光脉冲序列空域像成像在第二傅里叶透镜的后焦面上；
S5、图像采集单元采集第二傅里叶透镜后焦面上的结构信号光脉冲序列空域像，并进行一次曝光形成结构信号光脉冲序列叠加图像；
S6、数据处理单元接收图像采集单元输出的结构信号光脉冲序列叠加图像，并采用频域重建算法处理所述结构信号光脉冲序列叠加图像，得到重建的动态场景高速图像序列。
进一步地，步骤S6中所述的频域重建算法为频域锁相算法。
进一步地，所述频域锁相算法包括以下步骤：
S6.1、数据处理单元将接收到的结构信号光脉冲序列叠加图像转换成频域像；S6.2、提取结构信号光脉冲序列叠加图像频域像边频位置的各个信号光频谱；
S6.3、将提取出的信号光频谱进行逆傅里叶变换，得到重建的各时刻空域图像即为重建的动态场景高速图像序列。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的空间光谱滤波频域重建高速成像系统通过增加由第一傅里叶透镜、空间光谱滤波器及第二傅里叶透镜构成的4f空间光谱滤波单元，使结构信号光脉冲序列经过空间光谱滤波器上n对安装有不同滤波范围的滤波片，在4f系统的频域面上分离为各时刻结构信号光脉冲，以消除频域中各时刻结构信号光脉冲之间的频域高频串扰，解决了画幅数与重建图像空间分辨率之间的矛盾，相比于传统频域重建高速成像系统，该发明具备更多画幅数和更高空间分辨率的成像优势。
2、本发明提出的空间光谱滤波频域重建高速成像方法采用空间光谱滤波器在4f系统的频域面上分离各时刻结构信号光脉冲，以消除频域中各时刻结构信号光脉冲之间的频域高频串扰，使用单个相机进行单次曝光采集高速画面的基础上，使用频域重建算法一次性恢复结构信号光脉冲序列中的每一帧图像，此成像方法在保持较高空间分辨和画幅尺寸的情况下，极大扩展了单个相机的成像帧率，克服了传统高速成像系统无法兼顾帧频、空间分辨率、画幅尺寸、画幅数和制造成本的问题。
附图说明
图1为本发明空间光谱滤波频域重建高速成像系统示意图；
图2为本发明中4f空间光谱滤波单元示意图；
图3为本发明中4f空间光谱滤波单元的空间光谱滤波器示意图；
图4为本发明空间光谱滤波频域重建高速成像方法中光脉冲序列、结构光脉冲序列和图像采集单元曝光的时序图。
附图标记如下：
1-脉冲光源，2-结构光序列产生单元，3-高速场景发生单元，4-4f空间光谱滤波单元，5-图像采集单元，6-数据处理单元，7-第一傅里叶透镜，8-空间光谱滤波器，9-第二傅里叶透镜，10-通光孔，11-滤波片，12-控制单元。
具体实施方式
本实施例提供一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统，包括脉冲光源1、结构光序列产生单元2、高速场景发生单元3、4f空间光谱滤波单元4、控制单元、图像采集单元5及数据处理单元6；
脉冲光源1用于发射n个光脉冲，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长；脉冲光源1发射的光为可见光，每个光脉冲对应不同的波长，且脉冲光源1发射光脉冲时间间隔与高速场景发生单元3中的帧间隔相等。
沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元2、高速场景发生单元3、4f空间光谱滤波单元4；
本实施中结构光序列产生单元2是多个并行光栅集成单元，用于产生具有不同的条纹方向或频率的结构光脉冲，可以理解的是，只要能实现光脉冲经过后，可以形成具有不同的条纹方向或频率的结构光脉冲的其他光调制元件，都可以集成为结构光序列产生单元。
4f空间光谱滤波单元4包括第一傅里叶透镜7、空间光谱滤波器8及第二傅里叶透镜9，空间光谱滤波器8位于第一傅里叶透镜7的后焦面和第二傅里叶透镜9的前焦面；第一傅里叶透镜7的后焦面和第二傅里叶透镜9的前焦面重合。
所述空间光谱滤波器8包含n对通光孔10，每对关于中心对称的通光孔10安装相同的滤波片11，n对通光孔10中安装的滤波片11的滤波范围不同；n对通光孔10中安装的滤波片透过的波长与n个光脉冲的波长一一对应。
所述控制单元12分别与脉冲光源1、图像采集单元5相连接，控制单元12用于控制脉冲光源1发射光脉冲，且在光脉冲通过4f空间光谱滤波单元4后，控制单元12会同步控制图像采集单元5启动。
4f空间光谱滤波单元4的输出信号由图像采集单元5接收，图像采集单元5与数据处理单元6相接，数据处理单元6用于接收图像采集单元5采集的图像信号重建高速图像。
图像采集单元5为单个CCD相机，可以理解的是，图像采集单元5还可以是CMOS相机或其他能实现图像采集的相机。
本实施例提供的空间光谱滤波频域重建高速成像系统使用单个相机进行单次曝光就可以采集到待测目标场景中的高速画面，也可以根据系统的需要进行扩展，采用多个相机。
本实施例提供的空间光谱滤波频域重建高速成像系统工作过程包括：
S1、脉冲光源1发射n个光脉冲形成光脉冲序列，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长，脉冲光源1发射光脉冲时间间隔与高速场景发生单元3中的帧间隔相等。
S2、光脉冲序列经过结构光序列产生单元2生成由n个结构光脉冲构成的结构光脉冲序列，每个所述结构光脉冲具有不同的条纹方向或频率。
S3、结构光脉冲序列经过高速场景发生单元3产生的待测目标场景，形成携带有待测目标场景不同时刻动态信息的结构信号光脉冲序列。
S4、结构信号光脉冲序列进入4f空间光谱滤波单元4，第一傅里叶透镜7将结构信号光脉冲序列从空域像转换为频域像，并将结构信号光脉冲序列频域像成像在空间光谱滤波器8上；
结构信号光脉冲序列的频域像通过空间光谱滤波器8上对应的通光孔10和滤波片11，消除了待测目标场景不同时刻结构信号光脉冲之间的频域高频串扰；
第二傅里叶透镜9将空间光谱滤波器8处理后的结构信号光脉冲序列频域像转换为空域像，并将结构信号光脉冲序列空域像成像在第二傅里叶透镜9的后焦面上。
S5、图像采集单元5采集第二傅里叶透镜9后焦面上的结构信号光脉冲序列空域像，并进行一次曝光形成结构信号光脉冲序列叠加图像。
S6、数据处理单元6接收图像采集单元5输出的结构信号光脉冲序列叠加图像，并采用频域重建算法处理所述结构信号光脉冲序列叠加图像，得到重建的动态场景高速图像序列。
本实施例中采用的频域重建算法为频域锁相算法，具体为：
S6.1、数据处理单元6将接收到的结构信号光脉冲序列叠加图像变换成频域像；
S6.2、提取结构信号光脉冲序列叠加图像频域像边频位置的各个信号光频谱；
S6.3、将提取出的信号光频谱进行逆傅里叶变换，得到重建的各时刻空域图像即为重建的动态场景高速图像序列。

Claims (7)

1.一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：包括脉冲光源(1)、结构光序列产生单元(2)、高速场景发生单元(3)、4f空间光谱滤波单元(4)、图像采集单元(5)、数据处理单元(6)及控制单元(12)；
所述脉冲光源(1)用于发射n个光脉冲，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长；
沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元(2)、高速场景发生单元(3)、4f空间光谱滤波单元(4)；
所述4f空间光谱滤波单元(4)包括第一傅里叶透镜(7)、空间光谱滤波器(8)及第二傅里叶透镜(9)，空间光谱滤波器(8)位于第一傅里叶透镜(7)的后焦面和第二傅里叶透镜(9)的前焦面；
所述空间光谱滤波器(8)包含n对通光孔(10)，每对关于中心对称的通光孔(10)安装相同的滤波片(11)，n对通光孔(10)中安装的滤波片(11)的滤波范围不同，且n对通光孔(10)中安装的滤波片(11)透过的波长与n个光脉冲的波长一一对应；
所述控制单元(12)分别与脉冲光源(1)、图像采集单元(5)相连接，控制单元(12)接收脉冲光源(1)启动的信号，并将信号传输给图像采集单元(5)用于在光脉冲通过4f空间光谱滤波单元(4)后，控制图像采集单元(5)启动；
4f空间光谱滤波单元(4)输出的信号由图像采集单元(5)接收，图像采集单元(5)与数据处理单元(6)相接；
所述数据处理单元(6)用于接收图像采集单元(5)采集的图像信号重建高速图像。
2.根据权利要求1所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：
所述结构光序列产生单元(2)包括多个并行的光栅，用于产生条纹状的结构光脉冲。
3.根据权利要求2所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：
所述脉冲光源(1)发射的光为可见光。
4.根据权利要求1-3任一所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：
所述图像采集单元(5)为CCD相机或CMOS相机。
5.一种空间光谱滤波频域重建高速成像方法，其特征在于，基于权利要求1-4所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，包括以下步骤：
S1、脉冲光源(1)发射n个光脉冲形成光脉冲序列，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长，脉冲光源(1)发射光脉冲时间间隔与高速场景发生单元(3)中的帧间隔相等；
S2、光脉冲序列经过结构光序列产生单元(2)生成由n个结构光脉冲构成的结构光脉冲序列，每个所述结构光脉冲具有不同的条纹方向或频率；
S3、结构光脉冲序列经过高速场景发生单元(3)产生的待测目标场景，形成携带有待测目标场景不同时刻动态信息的结构信号光脉冲序列；
S4、结构信号光脉冲序列进入4f空间光谱滤波单元(4)，第一傅里叶透镜(7)将结构信号光脉冲序列从空域像转换为频域像，并将结构信号光脉冲序列频域像成像在空间光谱滤波器(8)上；
结构信号光脉冲序列的频域像通过空间光谱滤波器(8)上对应的通光孔(10)和滤波片(11)，消除待测目标场景不同时刻结构信号光脉冲之间的频域高频串扰；
第二傅里叶透镜(9)将空间光谱滤波器(8)处理后的结构信号光脉冲序列频域像转换为空域像，并将结构信号光脉冲序列空域像成像在第二傅里叶透镜(9)的后焦面上；
S5、图像采集单元(5)采集第二傅里叶透镜(9)后焦面上的结构信号光脉冲序列空域像，并进行一次曝光形成结构信号光脉冲序列叠加图像；
S6、数据处理单元(6)接收图像采集单元(5)输出的结构信号光脉冲序列叠加图像，并采用频域重建算法处理所述结构信号光脉冲序列叠加图像，得到重建的动态场景高速图像序列。
6.根据权利要求5所述的空间光谱滤波频域重建高速成像方法，其特征在于：步骤S6中所述的频域重建算法为频域锁相算法。
7.根据权利要求6所述的空间光谱滤波频域重建高速成像方法，其特征在于，所述频域锁相算法包括以下步骤：
S6.1、数据处理单元(6)将接收到的结构信号光脉冲序列叠加图像转换成频域像；
S6.2、提取结构信号光脉冲序列叠加图像频域像边频位置的各个信号光频谱；
S6.3、将提取出的信号光频谱进行逆傅里叶变换，得到重建的各时刻空域图像即为重建的动态场景高速图像序列。
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