CN115421294A - 一种二维空间分幅成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于成像技术领域，公开了一种二维空间分幅成像系统，包括第一柱面镜、空间色散单元、反射镜单元、第二柱面镜和成像透镜；具有不同波长的光束通过第一柱面镜后入射至空间色散单元，空间色散单元对入射光束进行空间色散，得到在二维空间上分开排列为m列n行的子脉冲阵列；反射镜单元包括在空间上分离布设的m个反射镜，各列光束分别经不同的反射镜反射；反射后的各列光束均入射至第二柱面镜，经第二柱面镜聚焦后的各列光束均入射至成像透镜。本发明能够有效增加分幅成像的帧数，同时使每列图像都比较清晰，能够提高二维空间分幅成像系统的分辨率。

Description

一种二维空间分幅成像系统

技术领域

本发明属于成像技术领域，更具体地，涉及一种二维空间分幅成像系统。

背景技术

超快成像技术是一种研究基础科学和工业领域中超快现象的重要工具，例如激光诱导冲击波、等离子体动力学、光化学反应和微流控动力学等。全光超快成像技术具有广泛的应用前景，其全光学的图像分离不受机械和电子的限制，可实现约100fs的帧速率。

但是，现有技术例如以微透镜阵列对二维阵列分布的多束子光束分别进行聚焦的方案，成像时是利用微透镜阵列中的每个小透镜对准一个子脉冲进行成像，这样的微透镜阵列中每个小透镜的直径d必然很小，由瑞利判据得到的最小可分辨角距离

当d越小时最小可分辨角间距

就越大，图像就越模糊。此外，现有技术通常采用一个反射镜对阵列分布的脉冲序列进行反射，使脉冲入射至成像透镜以进行成像，但是由于从光栅上返回的多列脉冲是分开分布的，如果只通过一个反射镜反射到成像透镜上进行成像，必然导致每一列脉冲成像时的光程不一样，每一列图像之间有光程差，当调节某一列图像清晰时，其他列的图像就会模糊。如何使每列图像都比较清晰，提高二维空间分幅成像系统的分辨率，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二维空间分幅成像系统，解决现有技术中二维空间分幅成像系统的分辨率较低的问题。

本发明提供一种二维空间分幅成像系统，包括：第一柱面镜、空间色散单元、反射镜单元、第二柱面镜和成像透镜；具有不同波长的光束通过所述第一柱面镜后入射至所述空间色散单元，所述空间色散单元对入射光束进行空间色散，得到在二维空间上分开排列为m列n行的子脉冲阵列；所述反射镜单元包括在空间上分离布设的m个反射镜，各列光束分别经不同的反射镜反射；反射后的各列光束均入射至所述第二柱面镜，经所述第二柱面镜聚焦后的各列光束均入射至所述成像透镜。

优选的，所述二维空间分幅成像系统还包括：成像处理单元；所述成像处理单元包括相机和计算机，各列光束经所述成像透镜聚焦至所述相机的感光面，与所述相机连接的所述计算机处理和显示m×n个成像图像。

优选的，所述空间色散单元包括：色散光学器件、聚焦光学器件和二维剪切镜阵列；所述色散光学器件对入射光束进行空间色散，所述聚焦光学器件将空间色散后的光束汇聚至所述二维剪切镜阵列，所述二维剪切镜阵列对光束以不同的角度进行反射，反射后的光束再次通过所述聚焦光学器件进行汇聚，经所述色散光学器件后得到在空间上分离的m×n个子脉冲。

优选的，所述二维剪切镜阵列包括m组反射子单元，各组反射子单元在水平方向上具有不同的反射角；每组反射子单元包括n个反射镜面，各反射镜面在竖直方向上具有不同的反射角。

优选的，位于中间的反射子单元记为第一组反射子单元，剩余的若干组反射子单元关于所述第一组反射子单元左右对称设置；针对左右任意一侧，随着与所述第一组反射子单元之间的距离增大，反射子单元在水平方向上的反射角也随之增大。

优选的，所述色散光学器件采用光栅或棱镜。

优选的，所述聚焦光学器件采用透镜、透镜阵列或柱面镜。

优选的，所述二维空间分幅成像系统还包括：第一透镜，光束经所述第一透镜后入射至所述第一柱面镜。

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：

(1)相对于通过微透镜阵列对二维阵列分布的多束子光束分别进行聚焦的方案，本发明采用的成像透镜能够完全覆盖所有入射光束，以同样25帧的成像结果为例，本发明采用的成像透镜完全覆盖25个子光束需要的透镜尺寸为D，而微透镜阵列中的每个小透镜的尺寸为D/5，因此本发明的最小分辨率将是采用微透镜阵列的1/5，分辨率能够提高5倍。

(2)相对于采用一个反射镜对阵列分布的脉冲序列进行反射，使脉冲入射至成像透镜以进行成像的方案，本发明在对光束进行分幅之前设置有第一柱面镜，在分幅后通过多个反射镜调节多列光束之间的光程差，再通过第二柱面镜进行图像调节，最后通过成像透镜进行成像时，不仅能让多列光束在相机上空间分开，还能使每列图像都比较清晰，本发明能极大地提高二维空间分幅成像系统的分辨率。

(3)本发明采用的二维剪切镜阵列包括m组反射子单元，各组反射子单元在水平方向上具有不同的反射角；每组反射子单元包括n个反射镜面，各反射镜面在竖直方向上具有不同的反射角。本发明基于二维剪切镜阵列的特殊结构，能够将入射光按照光谱波长的不同，在二维空间上分为m列光束返回，每一列光束又包含有n个子光束，能够将多光谱在二维空间上色散展开为m列n行的子脉冲阵列，达到更多的帧数。将本发明应用于多光谱成像和超快成像领域时，可以增加多光谱成像以及超快突发成像的帧数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种二维空间分幅成像系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种二维空间分幅成像系统中二维剪切镜阵列的结构示意图；其中，图2(a)为俯视图，图2(b)为前视图，图2(c)为左视图。

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。

本实施例提供了一种二维空间分幅成像系统，参见图1，包括：第一透镜101、第一柱面镜102、空间色散单元、反射镜单元、第二柱面镜109、成像透镜110、成像处理单元。具有不同波长的光束依次通过所述第一透镜101、所述第一柱面镜102后入射至所述空间色散单元，所述空间色散单元对入射光束进行空间色散，得到在二维空间上分开排列为m列n行的子脉冲阵列；所述反射镜单元包括在空间上分离布设的m个反射镜，各列光束分别经不同的反射镜反射；反射后的各列光束均入射至所述第二柱面镜109，经所述第二柱面镜109聚焦后的各列光束均入射至所述成像透镜110；所述成像处理单元包括相机111和计算机，各列光束经所述成像透镜110聚焦至所述相机111的感光面，与所述相机111连接的所述计算机处理和显示m×n个成像图像。

其中，所述空间色散单元包括：色散光学器件103、聚焦光学器件104和二维剪切镜阵列105；所述色散光学器件103对入射光束进行空间色散，所述聚焦光学器件104将空间色散后的光束汇聚至所述二维剪切镜阵列105，所述二维剪切镜阵列105对光束以不同的角度进行反射，反射后的光束再次通过所述聚焦光学器件104进行汇聚，经所述色散光学器件103后得到在空间上分离的m×n个子脉冲。

所述色散光学器件103可采用光栅、棱镜等。所述聚焦光学器件104可采用透镜、透镜阵列、柱面镜等。

所述二维剪切镜阵列105包括m组反射子单元，各组反射子单元在水平方向上具有不同的反射角；每组反射子单元包括n个反射镜面，各反射镜面在竖直方向上具有不同的反射角。

例如，将位于中间的反射子单元记为第一组反射子单元，剩余的若干组反射子单元关于所述第一组反射子单元左右对称设置；针对左右任意一侧，随着与所述第一组反射子单元之间的距离增大，反射子单元在水平方向上的反射角也随之增大。

下面以所述空间色散单元由光栅、透镜和二维剪切镜阵列组成，以所述反射镜单元包括在空间上分离布设的三个反射镜为例，对本发明做进一步的说明。

物体的像通过所述第一透镜101和垂直聚焦的所述第一柱面镜102后，打在光栅上，光束经所述光栅色散后，经透镜汇聚到所述二维剪切镜阵列105上，不同的波长将打在所述二维剪切镜阵列105的不同反射镜面上，而不同的反射镜面有不同的反射角，将各个子脉冲反射在二维空间的不同方向，再次通过所述透镜和所述光栅后，多个子脉冲将在二维空间上分三列排列返回，三个反射镜(即第一反射镜106、第二反射镜107和第三反射镜108)分别反射这三列光束，并补偿它们之间的光程差，经反射的三列光束均打在垂直聚焦的第二柱面镜109上，所述第二柱面镜109在垂直方向对各列光束进行聚焦，使各列光束在垂直方向不再平行，同时所述第二柱面镜109和所述第一柱面镜102组成4f系统，因此通过所述第二柱面镜109后各个汇聚的子脉冲携带的图像信息不变。同时调节三个反射镜之间的夹角，可以让三列光束也不平行，各个子脉冲通过成像透镜110后将在相机111上分开成像。系统中每个透镜和柱面镜都共焦在光栅上，并且所述第一柱面镜102和所述第二柱面镜109的焦距小于所述第一透镜101和所述成像透镜110的焦距。

下面对本发明中的所述空间色散单元做进一步说明。

本发明通过所述色散光学器件把光谱在横向色散展开，再通过所述聚焦光学器件将光束聚焦在所述二维剪切镜阵列的不同反射镜面上，相当于对光束进行了傅里叶变换，所述二维剪切镜阵列在所述聚焦光学器件的傅里叶面对不同波长的光束进行角度调制，再通过所述聚焦光学器件和所述色散光学器件返回，相当于光束的逆傅里叶变换，不同角度的光束返回后在空间的位置不同，从而实现了光束的二维空间分光。整个变换过程不影响光束携带的图像信息，将其用于多光谱成像或突发超快成像，能够有效的增加成像的帧数。

现有的二维空间分光通常是通过衍射光学元件来实现的，但是这种方法分出来的光，每一束的光谱都是一样的，无法将不同的光谱分开。而现有基于波长时域拉伸的超快成像分光系统大多是一维的，各个光学器件的尺寸严重的限制了一维分光系统子脉冲的增加。本发明能按照光源波长的不同将入射光分为多个子脉冲，并且在二维空间上分开排列。对于多光谱成像，帧数越多，光谱分得越细，便于更细致地研究材料对不同光谱的吸收。本发明提供的二维空间分幅成像系统突破了一维分光成像的限制，能够将多光谱在二维空间上色散展开排列，达到更多的帧数，有利于多光谱成像领域的研究。

对于超快突发成像，不仅需要高的时间分辨率，还需要很高的空间分辨率，而空间分光技术直接限制了成像的帧数和成像质量。一般超快成像是将多个子脉冲在一个维度上展开成一列，通过相机记录这一列子脉冲的光信号，每个子脉冲都是一幅图像，所以各个子脉冲相互有一定的距离，若子脉冲的数量很大，则位于后面光路上的光学器件将很大，同时也不利于整个系统的性能，现有技术中子脉冲的数量一般不超过10个，会严重限制系统帧数的增加。虽然可以通过设计多个光路来增加整个系统的帧数，但这样同时也增加了系统的复杂性。本发明能够得到m×n个子脉冲，每一个子脉冲都是一个像，从而实现多帧成像。本发明能够得到更多的子脉冲而不影响成像质量，有利于超快突发成像领域的研究。

下面以本发明用于多光谱成像为例进行说明。

入射光束经过所述空间色散单元中的光栅后，各个光谱将在横向色散为发散的一行光，然后通过所述空间色散单元中的透镜汇聚这一行光，光栅和二维剪切镜阵列分别位于透镜两边的焦点处，因此这一行发散光通过透镜后将变为一行平行光，并且不同位置的光波长不一样，然后这些不同波长的光入射到所述二维剪切镜阵列的不同反射镜面上。参见图2，所述二维剪切镜阵列的不同反射镜面具有不同的反射角，图2(a)为所述二维剪切镜阵列的俯视图，例如，所述二维剪切镜阵列有50个反射镜面，分为5组反射子单元，每组反射子单元包括10个反射镜面；图2(b)为所述二维剪切镜阵列的前视图，其中5组反射子单元相互有一个倾角，其中中间一组为水平，左右各两组，左边两组分别向右倾斜a°和b°，右边两组分别向左倾斜a°和b°，左右对称；图2(c)为左视图，每组反射子单元中的10个反射镜面之间互相有一个倾角且倾角依次增加，最大的倾角为c°，因此所述二维剪切镜阵列中的每个反射镜面都具有不同的倾角，可以让不同波长的光分别打在所述二维剪切镜阵列的不同反射镜面上，光束将会分为50个子脉冲反射回去，在水平方向按照图2(b)所示有5个不同的倾角反射，被分为5组；同时每组包含10个子脉冲，在垂直方向如图2(c)所示分为10个不同的倾角反射；这些反射的子脉冲有不同的角度，再次通过透镜聚焦，通过光栅后各个子脉冲在空间上将会由发散变为平行，从而排列为5×10的子脉冲阵列。

综上，本发明能够提高二维空间分幅成像系统的分辨率，将本发明应用于多光谱成像和超快成像领域时，可以增加多光谱成像以及超快突发成像的帧数。

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 (8)

1.一种二维空间分幅成像系统，其特征在于，包括：第一柱面镜、空间色散单元、反射镜单元、第二柱面镜和成像透镜；具有不同波长的光束通过所述第一柱面镜后入射至所述空间色散单元，所述空间色散单元对入射光束进行空间色散，得到在二维空间上分开排列为m列n行的子脉冲阵列；所述反射镜单元包括在空间上分离布设的m个反射镜，各列光束分别经不同的反射镜反射；反射后的各列光束均入射至所述第二柱面镜，经所述第二柱面镜聚焦后的各列光束均入射至所述成像透镜。

2.根据权利要求1所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，还包括：成像处理单元；所述成像处理单元包括相机和计算机，各列光束经所述成像透镜聚焦至所述相机的感光面，与所述相机连接的所述计算机处理和显示m×n个成像图像。

3.根据权利要求1所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，所述空间色散单元包括：色散光学器件、聚焦光学器件和二维剪切镜阵列；所述色散光学器件对入射光束进行空间色散，所述聚焦光学器件将空间色散后的光束汇聚至所述二维剪切镜阵列，所述二维剪切镜阵列对光束以不同的角度进行反射，反射后的光束再次通过所述聚焦光学器件进行汇聚，经所述色散光学器件后得到在空间上分离的m×n个子脉冲。

4.根据权利要求3所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，所述二维剪切镜阵列包括m组反射子单元，各组反射子单元在水平方向上具有不同的反射角；每组反射子单元包括n个反射镜面，各反射镜面在竖直方向上具有不同的反射角。

5.根据权利要求4所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，位于中间的反射子单元记为第一组反射子单元，剩余的若干组反射子单元关于所述第一组反射子单元左右对称设置；针对左右任意一侧，随着与所述第一组反射子单元之间的距离增大，反射子单元在水平方向上的反射角也随之增大。

6.根据权利要求3所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，所述色散光学器件采用光栅或棱镜。

7.根据权利要求3所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，所述聚焦光学器件采用透镜、透镜阵列或柱面镜。

8.根据权利要求1所述的二维空间分幅成像系统，其特征在于，还包括：第一透镜，光束经所述第一透镜后入射至所述第一柱面镜。

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