CN115268200B - 一种多帧超快相位成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于成像技术领域，公开了一种多帧超快相位成像系统及方法。本发明通过飞秒激光器产生飞秒脉冲，通过时间整型模块对飞秒脉冲进行时域拉伸得到第一数量的子脉冲，通过空间整型模块对经过超快事件后的多个子脉冲进行空间分离，通过分光器件将每个子脉冲分为多级子光束，通过第一透镜将光束汇聚至多孔滤光模块，通过多孔滤光模块得到各个子脉冲对应的参考光和物光，通过第二透镜将光束汇聚至成像模块，通过成像模块得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图。本发明能够同时对多束光束进行离轴干涉成像，应用于超快成像上能够进行多帧的超快相位成像。
Description
技术领域
本发明属于成像技术领域，更具体地，涉及一种多帧超快相位成像系统及方法。
背景技术
相位成像是一种根据强度信息恢复出相位信息的成像方法，相位成像的出现不但可以突破衍射极限，还可以实现3D透明物体的高分辨率无标记成像。在研究激光诱导损伤，神经元对信息传递反应等方面，对成像速度也有很高的要求。实现超快相位信号探测的技术有飞光记录数字全息、时间分辨全息偏振显微术和超快帧速相机等，虽然可以实现高帧率成像，但是序列深度(每部影片的帧数)会受到脉冲数量、成像视角的平衡关系和探测器数量的影响。此外，传统的相位成像方法大多是通过各种干涉方法让参考光与物光干涉得到干涉图，再通过电脑计算得到相位图。但是若想实现多个光束的同时干涉相位成像且确保不会相互影响，现有技术还没有给出合适的方案，例如进行多帧突发超快成像时往往在极短时间内获得多个分开的物光图像，但要对其进行相位成像时却没有相关的干涉方案。如何实现多帧超快相位成像是本领域需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明通过提供一种多帧超快相位成像系统及方法，解决现有技术中无法实现多帧超快相位成像的问题。
本发明提供一种多帧超快相位成像系统，包括沿光路依次设置的飞秒激光器、时间整型模块、空间整型模块、分光器件、第一透镜、多孔滤光模块、第二透镜和成像模块；超快事件位于所述时间整型模块和所述空间整型模块之间；
所述飞秒激光器用于产生飞秒脉冲；所述时间整型模块用于对所述飞秒脉冲进行时域拉伸和整型，得到第一数量的子脉冲；所述空间整型模块用于对经过所述超快事件后的多个子脉冲进行空间分离；所述分光器件用于将每个子脉冲分为多级子光束；所述第一透镜用于将光束汇聚至所述多孔滤光模块；所述多孔滤光模块包括所述第一数量的滤光组件，每个所述滤光组件用于对一个所述子脉冲的多级子光束进行滤波，得到该子脉冲对应的参考光和物光；所述第二透镜用于将所述参考光和所述物光汇聚至所述成像模块；所述成像模块用于得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图。
优选的，所述分光器件为光栅或分束器。
优选的，所述多级子光束包括0级衍射光和1级衍射光；所述滤光组件包括第一滤光孔和第二滤光孔，所述第一滤光孔具有第一直径，所述第二滤光孔具有第二直径，所述第一直径小于所述第二直径；所述第一滤光孔用于对所述0级衍射光进行低通滤波以得到所述参考光，所述第二滤光孔用于作为所述1级衍射光全部通过的通道以得到所述物光。
优选的，所述分光器件采用第一光栅时，所述多帧超快相位成像系统的参数限制条件如下：
式中，T为第一光栅的光栅常数，λ为波长，M1为空间整型模块的放大倍数，NA1为空间整型模块的数值孔径，NA2为第一透镜的数值孔径，NA3为第二透镜的数值孔径，D为第一直径，M2为第二透镜的焦距f2与第一透镜的焦距f1的比值，α为成像模块的单个像素大小。
优选的，所述时间整型模块包括：色散元件、第一反射镜、第二光栅、第三透镜、空间光调制器、第四透镜、第三光栅和第二反射镜；
所述色散元件用于进行脉冲拉伸；所述第一反射镜用于将脉冲反射至所述第二光栅；所述第二光栅用于对脉冲进行色散展开；所述第三透镜用于将色散展开后的光束聚焦为平行光；所述空间光调制器用于进行波长选择滤波；所述第四透镜用于将光束汇聚至所述第三光栅；所述第三光栅用于对光束进行合束，形成第一数量的子脉冲；所述第二反射镜用于将第一数量的子脉冲反射至所述超快事件上。
优选的，所述空间整型模块包括：第四光栅、第五透镜和反射镜阵列；
所述第四光栅对各个子脉冲进行空间色散展开，展开后的光束经所述第五透镜汇聚至所述反射镜阵列；所述反射镜阵列由具有不同倾斜角度的多个反射镜面组成，各个子脉冲分别入射至不同的反射镜面上，并以不同的角度返回至所述第五透镜；反射光束经所述第五透镜聚焦后返回至所述第四光栅，所述第四光栅将多个子脉冲在空间上展开为一列。
优选的，所述多帧超快相位成像系统还包括与所述成像模块连接的计算机；所述计算机用于基于所述干涉图计算得到相位图，并对所述相位图进行存储和显示。
优选的，所述多帧超快相位成像系统能够实现单脉冲10Tfps的成像速度和5帧的成像帧数。
另一方面，本发明提供一种多帧超快相位成像方法，采用上述的多帧超快相位成像系统实现，所述方法包括以下步骤：
步骤1、通过飞秒激光器产生飞秒脉冲；
步骤2、通过时间整型模块对所述飞秒脉冲进行时域拉伸和整型，得到第一数量的子脉冲；
步骤3、通过空间整型模块对经过所述超快事件后的多个子脉冲进行空间分离；
步骤4、通过分光器件将每个子脉冲分为多级子光束；
步骤5、通过第一透镜将光束汇聚至多孔滤光模块，通过所述多孔滤光模块得到各个子脉冲对应的参考光和物光；
步骤6、通过第二透镜将光束汇聚至成像模块，通过所述成像模块得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图。
优选的，所述多帧超快相位成像方法还包括：步骤7、基于所述干涉图，利用计算机得到相位图，并通过所述计算机对所述相位图进行存储和显示。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明首先通过飞秒激光器产生飞秒脉冲，通过时间整型模块对飞秒脉冲进行时域拉伸和整型得到第一数量的子脉冲，通过空间整型模块对经过超快事件后的多个子脉冲进行空间分离，然后利用分光器件将每个子脉冲分为多级子光束，利用多孔滤光模块得到各个子脉冲对应的参考光和物光，两个透镜组成4f系统，最后在像面发生干涉得到干涉图，通过计算机处理得到相位图。本发明能够同时对多束光束进行相位成像，将其应用在超快成像上，能够进行多帧的超快相位成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多帧超快相位成像系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多帧超快相位成像系统中时间整型模块的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多帧超快相位成像系统中空间整型模块的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供了一种多帧超快相位成像系统，参见图1，包括沿光路依次设置的飞秒激光器101、时间整型模块102、空间整型模块104、分光器件105、第一透镜106、多孔滤光模块107、第二透镜108、成像模块109，以及与所述成像模块109连接的计算机110；超快事件103位于所述时间整型模块102和所述空间整型模块104之间。
所述飞秒激光器101用于产生飞秒脉冲；所述时间整型模块102用于对所述飞秒脉冲进行时域拉伸和整型，得到第一数量的子脉冲；所述空间整型模块104用于对经过所述超快事件103后的多个子脉冲进行空间分离；所述分光器件105用于将每个子脉冲分为多级子光束；所述第一透镜106用于将光束汇聚至所述多孔滤光模块107；所述多孔滤光模块107包括所述第一数量的滤光组件，每个所述滤光组件用于对一个所述子脉冲的多级子光束进行滤波，得到该子脉冲对应的参考光和物光；所述第二透镜108用于将所述参考光和所述物光汇聚至所述成像模块109；所述成像模块109用于得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图；所述计算机110用于基于所述干涉图计算得到相位图，并对所述相位图进行存储和显示。
其中，所述分光器件105为光栅、分束器、衍射光学器件或者其它有相同功能的光学器件，所述分光器件105的目的是将入射光束分为至少两个子光束。所述成像模块109用于探测图像信号，具体可以为相机。
例如，所述多级子光束包括0级衍射光和1级衍射光；所述滤光组件包括第一滤光孔和第二滤光孔，所述第一滤光孔具有第一直径，所述第二滤光孔具有第二直径，所述第一直径小于所述第二直径；所述第一滤光孔用于对所述0级衍射光进行低通滤波以得到所述参考光，所述第二滤光孔用于作为所述1级衍射光全部通过的通道以得到所述物光。
本发明针对每个子脉冲，通过所述分光器件105将子脉冲分为0级和1级衍射光，在通过透镜聚焦后，在其傅里叶面用小孔对0级衍射光低通滤波，从而变为参考光，1级衍射光用较大的孔让其全部通过，从而保持为物光，再通过第二个透镜聚焦后，各个子脉冲的0级和1级衍射光将在成像模块上分别干涉，而各个子脉冲不会重叠，从而得到各个子脉冲像的干涉图，进而可以计算出相位图。
本发明中的所述多孔滤光模块107的目的是选取两个子光束在透镜的傅里叶面进行滤波，其中一个子光束进行小孔滤波变为参考光，另一个子光束通过大孔后还是物光，且可以同时对多个入射光束同步进行操作。所述多孔滤光模块107可以是打多个孔的挡光片，也可以是能够对光进行滤波的空间光调制器等光学器件。所述多孔滤光模块107中滤光孔的数量为入射物光的两倍，其中有一半为小孔进行低通滤波，另一半为大孔让光全部通过。该滤光系统如果是反射式的，那么滤光孔将变为反射孔，其它参数一样。即本发明通过特殊的滤光结构对其中的一束光束进行低通滤波变为参考光，另外一束光束则完全通过，两束光束在后面进行干涉成像。本发明对每个子脉冲进行同样的操作，而且不额外的引入光程差，有利于飞秒激光的干涉。
本发明把超快成像的多个子脉冲作为入射脉冲，同时进行超快多帧的相位成像。即本发明能够对多个物光同时进行离轴干涉成像，能够在各个物光互不影响的前提下，实现同时进行多帧相位成像，可以很好的与超快成像方法相结合，进行超快相位成像。
本发明提供的系统结合波长时域拉伸超快成像和衍射相位成像实现超快相位成像，为实现多帧的超快相位成像，系统需要满足一些限制条件。
例如，所述分光器件105采用第一光栅时，所述多帧超快相位成像系统的参数限制条件如下。
入射到所述第一光栅105上的子脉冲产生振幅调制，经所述第一透镜106后在其傅里叶面得到其频谱分布，为了避免零级光和一级光的串扰，光栅常数的限制条件为：
为了使所述第一透镜106和所述第二透镜108完整的接收零级光和一级光，其数值孔径需满足如下条件：
为了得到准确的图像信息，依据奈奎斯特抽样定理，干涉条纹的宽度需要覆盖两个或者三个像素大小，即像素采样频率要大于两倍干涉条纹的最大空间频率。通过计算，所述成像模块109(即相机)的像素大小需要满足如下的条件：
式中，T为第一光栅的光栅常数，λ为波长，M1为空间整型模块的放大倍数，NA1为空间整型模块的数值孔径，NA2为第一透镜的数值孔径，NA3为第二透镜的数值孔径，D为第一直径，M2为第二透镜的焦距f2与第一透镜的焦距f1的比值，α为成像模块的单个像素大小。
参见图2，所述时间整型模块包括：色散元件201、第一反射镜202、第二光栅203、第三透镜204、空间光调制器205、第四透镜206、第三光栅207和第二反射镜208。所述色散元件201用于进行脉冲拉伸；所述第一反射镜202用于将脉冲反射至所述第二光栅203；所述第二光栅203用于对脉冲进行色散展开；所述第三透镜204用于将色散展开后的光束聚焦为平行光；所述空间光调制器205用于进行波长选择滤波(即让本发明需要的波长通过，并挡住不需要的波长)；所述第四透镜206用于将光束汇聚至所述第三光栅207；所述第三光栅207用于对光束进行合束，形成第一数量的子脉冲；所述第二反射镜208用于将第一数量的子脉冲反射至所述超快事件上。每个子脉冲记录了不同时刻的像，时间分辨率为各个子脉冲的间隔。
本发明中的所述时间整型模块用于把单个脉冲在时域上拉伸和整型，从而产生一系列的子脉冲。脉冲拉伸是通过光的色散原理，把不同波长的光色散在时域上的不同时刻，从而记录不同时刻的瞬变事件，通常可以用玻璃棒、棱镜对、光纤等色散元件。脉冲时域整型是对脉冲时域宽度进行处理，选择光学4f时空变换整型光路，其可以通过光栅和透镜将脉冲在时域转换到空间域，然后在空间域上进行操作，最后再返回时域，此方法可以通过调整光路产生本发明所需要的子脉冲数量。
参见图3，所述空间整型模块包括：第四光栅301、第五透镜302和反射镜阵列303。所述第四光栅301对各个子脉冲进行空间色散展开，展开后的光束经所述第五透镜302汇聚至所述反射镜阵列303；所述反射镜阵列303由具有不同倾斜角度的多个反射镜面组成(例如，所述反射镜阵列303由5个长反射镜面组成，它们之间互相有夹角)，各个子脉冲分别入射至不同的反射镜面上，并以不同的角度返回至所述第五透镜302；反射光束经所述第五透镜302聚焦后返回至所述第四光栅301，所述第四光栅301将多个子脉冲在空间上展开为一列。
本发明所述空间整型模块中的光栅的作用是在水平面上将各个子脉冲色散开；所述空间整型模块中的透镜将色散开的子脉冲聚焦在反射镜阵列的不同反射镜面上；反射镜阵列有多个反射镜面，每个反射镜面在竖直方向都有不同的反射角度，其目的是为了将各个子脉冲反射不同的角度从而将子脉冲在空间上分开；被反射的子脉冲再次通过所述空间整型模块中的透镜和光栅，各个子脉冲将在空间上分开为一列。
实施例1提供的所述多帧超快相位成像系统能够实现单脉冲10Tfps的成像速度和5帧的成像帧数。
实施例2：
实施例2提供了一种多帧超快相位成像方法，采用如实施例1提供的多帧超快相位成像系统实现，实施例2提供的方法包括以下步骤：
步骤1、通过飞秒激光器产生飞秒脉冲；
步骤2、通过时间整型模块对所述飞秒脉冲进行时域拉伸和整型，得到第一数量的子脉冲；
步骤3、通过空间整型模块对经过所述超快事件后的多个子脉冲进行空间分离；
步骤4、通过分光器件将每个子脉冲分为多级子光束；
步骤5、通过第一透镜将光束汇聚至多孔滤光模块，通过所述多孔滤光模块得到各个子脉冲对应的参考光和物光；
步骤6、通过第二透镜将光束汇聚至成像模块，通过所述成像模块得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图；
步骤7、基于所述干涉图，利用计算机得到相位图，并通过所述计算机对所述相位图进行存储和显示。
实施例2提供的方法与实施例1提供的系统中各模块或器件的功能对应，因此不再赘述。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种多帧超快相位成像系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的飞秒激光器、时间整型模块、空间整型模块、分光器件、第一透镜、多孔滤光模块、第二透镜和成像模块；超快事件位于所述时间整型模块和所述空间整型模块之间；
所述飞秒激光器用于产生飞秒脉冲；所述时间整型模块用于对所述飞秒脉冲进行时域拉伸和整型，得到第一数量的子脉冲；所述空间整型模块用于对经过所述超快事件后的多个子脉冲进行空间分离；所述分光器件用于将每个子脉冲分为多级子光束；所述第一透镜用于将光束汇聚至所述多孔滤光模块；所述多孔滤光模块包括所述第一数量的滤光组件，每个所述滤光组件用于对一个所述子脉冲的多级子光束进行滤波，得到该子脉冲对应的参考光和物光；所述第二透镜用于将所述参考光和所述物光汇聚至所述成像模块；所述成像模块用于得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图；
所述多级子光束包括0级衍射光和1级衍射光；所述滤光组件包括第一滤光孔和第二滤光孔，所述第一滤光孔具有第一直径，所述第二滤光孔具有第二直径，所述第一直径小于所述第二直径；所述第一滤光孔用于对所述0级衍射光进行低通滤波以得到所述参考光，所述第二滤光孔用于作为所述1级衍射光全部通过的通道以得到所述物光。
2.根据权利要求1所述的多帧超快相位成像系统，其特征在于，所述分光器件为光栅或分束器。
3.根据权利要求1所述的多帧超快相位成像系统，其特征在于，所述分光器件采用第一光栅时，所述多帧超快相位成像系统的参数限制条件如下：
式中，T为第一光栅的光栅常数，λ为波长，M1为空间整型模块的放大倍数，NA1为空间整型模块的数值孔径，NA2为第一透镜的数值孔径，NA3为第二透镜的数值孔径，D为第一直径，M2为第二透镜的焦距f2与第一透镜的焦距f1的比值，α为成像模块的单个像素大小。
4.根据权利要求1所述的多帧超快相位成像系统，其特征在于，所述时间整型模块包括：色散元件、第一反射镜、第二光栅、第三透镜、空间光调制器、第四透镜、第三光栅和第二反射镜；
所述色散元件用于进行脉冲拉伸；所述第一反射镜用于将脉冲反射至所述第二光栅；所述第二光栅用于对脉冲进行色散展开；所述第三透镜用于将色散展开后的光束聚焦为平行光；所述空间光调制器用于进行波长选择滤波；所述第四透镜用于将光束汇聚至所述第三光栅；所述第三光栅用于对光束进行合束，形成第一数量的子脉冲；所述第二反射镜用于将第一数量的子脉冲反射至所述超快事件上。
5.根据权利要求1所述的多帧超快相位成像系统，其特征在于，所述空间整型模块包括：第四光栅、第五透镜和反射镜阵列；
所述第四光栅对各个子脉冲进行空间色散展开，展开后的光束经所述第五透镜汇聚至所述反射镜阵列；所述反射镜阵列由具有不同倾斜角度的多个反射镜面组成，各个子脉冲分别入射至不同的反射镜面上，并以不同的角度返回至所述第五透镜；反射光束经所述第五透镜聚焦后返回至所述第四光栅，所述第四光栅将多个子脉冲在空间上展开为一列。
6.根据权利要求1所述的多帧超快相位成像系统，其特征在于，还包括与所述成像模块连接的计算机；所述计算机用于基于所述干涉图计算得到相位图，并对所述相位图进行存储和显示。
7.根据权利要求1所述的多帧超快相位成像系统，其特征在于，所述多帧超快相位成像系统能够实现单脉冲10Tfps的成像速度和5帧的成像帧数。
8.一种多帧超快相位成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的多帧超快相位成像系统实现，所述方法包括以下步骤：
步骤1、通过飞秒激光器产生飞秒脉冲；
步骤2、通过时间整型模块对所述飞秒脉冲进行时域拉伸和整型，得到第一数量的子脉冲；
步骤3、通过空间整型模块对经过所述超快事件后的多个子脉冲进行空间分离；
步骤4、通过分光器件将每个子脉冲分为多级子光束；
步骤5、通过第一透镜将光束汇聚至多孔滤光模块，通过所述多孔滤光模块得到各个子脉冲对应的参考光和物光；
步骤6、通过第二透镜将光束汇聚至成像模块，通过所述成像模块得到各个子脉冲的参考光和物光形成的干涉图。
9.根据权利要求8所述的多帧超快相位成像方法，其特征在于，还包括：步骤7、基于所述干涉图，利用计算机得到相位图，并通过所述计算机对所述相位图进行存储和显示。
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