CN115561983A - 一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统及方法，涉及全息成像技术领域。包括：激光发射单元、物光光路单元、参考光光路单元和全息图压缩单元；激光发射单元将发射的激光分为两路，一路作为物光进入物光光路单元，一路作为参考光进入参考光路单元，参考光光路单元对参考光进行“编码”，“编码”后的参考光与物光光路单元输出的不同时刻的物光分别相干形成的序列全息图，全息图经过全息图压缩单元后形成压缩全息图。最后利用基于压缩感知的恢复算法恢复出不同时刻物光的复振幅分布。本系统的成像速度可达到每秒几十万亿帧，单次可以记录数百幅全息图像，为物理、化学和生物中各种瞬态过程的实时观测和研究提供了一种新的技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及全息成像技术领域，尤其涉及一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，对瞬态事件、超快现象(发生在皮秒、飞秒内的事件)的研究成为热点，对于超快激光诱导等离子体、激光成丝和烧蚀等超快过程来说，研究如何可视化瞬态事件在二维空间中的信息演变具有重要的学术和应用价值。随着超快激光技术和高时空分辨率探测器的发展，捕获瞬态事件成为可能。到目前为止，已发展了多种方法。最初泵浦-探测技术应用于这一领域，对超快场景进行多次重复探测以捕获其具体发生过程。然而许多超快现象难以重复或不可重复，例如光学畸形波、化学反应过程中原子的运动、活组织中的光散射等，此时泵浦-探测技术将难以适用。为克服泵浦-探测方法的局限性，发展了单击超快成像技术，即拍摄一次就可实时捕获整个动态过程，成像速度可达100Mfps。单击超快成像技术可分为直接成像和重建成像。直接成像通过各式各样的成像光路获取瞬态事件发生过程中的图像。例如Hou等人提出利用偏振技术对单个飞秒激光脉冲在透明介质中的传播进行了高帧率观测，Oishi等人提出的序列时间全光映射摄影技术(STAMP)技术，采用脉冲激光器作为照明光源，通过时间映射产生啁啾脉冲序列分幅成像中每一帧图像的照明光源，再通过空间映射装置实现空间分离成像。但该成像光路相对复杂，在实验上作者仅实现了6幅图像的记录。随后Kannari等人提出了STAMP的改进方法，即基于频谱滤波的STAMP系统(SF-STAMP)，该方法使单次成像过程中记录的图像数提高到了25幅，其存在的问题是记录的多幅图像不是采用同一光谱，这将影响到图像信息的恢复。2014年，Wang等人提出了基于信息压缩理论的超快成像技术(CUP)，其有利的结合了压缩感知算法和条纹相机的超短时间分辨率，可达每秒10万亿帧的成像速度，单次记录图像幅数可达350幅，因此CUP类的方法应用最为广泛。然而上述超快成像方法中只能记录物波的强度信息，且应用场景有限。在超快场景探测中，相位信息与强度信息具有同等重要性，在探测例如生物活细胞这种相位型或类相位型物体时，相位信息甚至比强度信息更重要。王晓雷等人利用脉冲激光和角分复用全息技术实现了单击全息超快成像(PDH)，其利用一副全息图记录了激光击穿空气过程的三幅全息图像，由于该方法采用了离轴全息技术，存在“walk-off”效应，很难进行大视场的记录。重建成像在成像光路捕获图像之后，还需要对获取的多幅图像进行计算处理，以提高成像分辨率。如何通过全息光路在一次测量中即可记录超快过程中的多幅全息图像仍然是一个巨大的挑战。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统及方法，能够捕捉超快动态场景中的光场分布，该方法可在一次测量中同时记录了超快现象的强度和相位信息，为记录超快现象提供了一种新的手段。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，包括：激光发射单元、物光光路单元、参考光光路单元和全息图压缩单元；激光发射单元将发射的激光分为两路，一路作为物光进入物光光路单元，一路作为参考光进入参考光路单元，参考光光路单元对参考光进行“编码”，与物光光路单元输出的不同时刻的物光分别相干涉形成序列全息图，经过全息图压缩单元后压缩后得到压缩全息图。
进一步的，激光发射单元包括激光器、针孔和分束镜，由激光器发出的激光经过针孔滤波准直后变为平行光，然后通过第一分束镜后分成为两路。
进一步的，物光光路单元包括依次设置的第二反射镜、动态物体、显微物镜和镜筒透镜。
进一步的，物光经过物体后会携带物体信息，经由显微物镜和镜筒透镜组成的放大系统后进入全息图压缩单元。
进一步的，参考光光路单元包括依次设置的针孔阵列板、凸透镜、第一反射镜和柱面透镜。
进一步的，参考光经过一个特殊设计的针孔阵列板后，变成一系列传播方向不同的球面波，这些球面波经过凸透镜后，变成一系列沿不同方向传播的平面波，然后经过沿x方向的柱面透镜后，在柱面透镜焦面附近变成一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合。
进一步的，全息图压缩单元包括第二分束镜和条纹相机；第二分束镜将物光和参考光合束后送入条纹相机中，拥有超高时间分辨率的条纹相机记录飞秒时间级别的超快事件。
更进一步的，利用压缩感知的恢复算法对压缩全息图进行再现，恢复出不同时刻物波的复振幅分布。
本发明第二方面提供了一种基于条纹相机的超快压缩全息成像方法，包括：
对激光器发出的激光进行分束，分束后一路作为物光，一路作为参考光；
物光经过瞬态场景中ti时刻复振幅为T(x′,y′,ti)的动态物体后变为O(x′,y′,ti)，该物光波经由显微物镜和镜筒透镜组成的放大系统后进入全息图压缩单元，其复振幅分布变为O(x,y,ti)；
参考光经过一个特殊设计的针孔阵列板后，变成一系列传播方向不同的球面波，这些球面波经过凸透镜后，变成一系列沿不同方向传播的平面波，然后经过沿x方向的柱面透镜后，在柱面透镜焦面附近变成一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合，其总的复振幅分布为R(x,y)；
ti时刻的物光和参考光经过第二分束镜合束后进入条纹相机的狭缝，在条纹相机的狭缝处相干涉形成全息图，这些不同时刻形成的全息图经由条纹相机剪切后在CCD平面上交叉叠加，从而形成压缩全息图。
进一步的，利用基于压缩感知(CS)的恢复算法对压缩全息图进行再现，便可以恢复出不同时刻物波的复振幅分布。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明提出了一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，该系统利用一种特殊“编码”的参考光实现了对超快事件的全息记录。与传统的全息记录光路相比较，本发明采用了一个特殊设计的针孔阵列和柱面透镜构成的简单光学系统实现了对参考光的“编码”，编码后的参考光与物光相互干涉，由条纹相机压缩剪切得到压缩全息图，最后利用基于压缩感知的恢复算法可恢复出不同时刻物波的复振幅分布。基于条纹相机的超短时间分辨率，本系统的成像速度可达到每秒几十万亿帧，单次可以记录数百幅全息图像，这为物理、化学和生物中各种瞬态过程的实时观测和研究提供了一种新的技术手段。
传统全息记录光路单次只能记录一幅全息图像，为实现能够记录多幅全息图的这一巨大挑战，本发明对传统全息的参考光光路进行了改进。在参考光光路部分，设计了一个由针孔阵列板、凸透镜、反射镜和柱面透镜组成的编码单元，通过该单元可以实现对参考光的“编码”，“编码”后的参考光为一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合。同时将普通图像传感器(如CCD)替换为条纹相机，利用条纹相机的剪切功能可以实现压缩全息图的记录，后续可以利用压缩感知算法对压缩全息图的进行“解码”。实现了通过全息光路在一次测量中即可记录超快过程中的多幅全息图像的目的。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一超快压缩全息成像系统结构图；
图2为本发明实施例一超快压缩全息成像系统中针孔阵列示意图；
图3为本发明实施例一参考光的强度分布图；
图4为本发明实施例一参考光的相位分布图；
图5为本发明实施例一获得的压缩全息图；
图6为本发明实施例一重建出的不同时刻场景图。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
实施例一：
本发明实施例一提供了一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，包括：激光发射单元、物光光路单元、参考光光路单元和全息图压缩单元。如图1所示，激光发射单元包括超快激光器Laser和分束镜BS1。物光光路单元包括依次设置的第二反射镜M2、动态物体Obj、显微物镜MO和镜筒透镜TL。参考光光路单元包括依次设置的针孔阵列板SF、凸透镜L1、第一反射镜M1和x方向放置的柱面透镜CL。全息图压缩单元包括第二分束镜BS2和条纹相机SC。
作为进一步的技术方案，由激光器发出的激光经过针孔滤波准直后变为平行光，然后通过分束镜BS1后分成为两路。一路作为物光进入物光光路单元，一路作为参考光进入参考光路单元，参考光光路单元对参考光进行“编码”，与物光光路单元输出物光在全息图压缩单元相干涉形成压缩全息图。
优选的，在物光光路单元中，物光经过瞬态场景中ti时刻复振幅为T(x′,y′,ti)的动态物体后变为O(x′,y′,ti)，该物光波经由显微物镜和镜筒透镜组成的放大系统后进入全息图压缩单元，具体为：该物光波由显微物镜MO和镜筒透镜TL扩束，经分束镜BS2合束后到达条纹相机狭缝处，其复振幅分布变为O(x,y,ti)。
优选的，在参考光光路单元中，准直后的平行光经过如图2所示的针孔阵列板SF后，变成一系列传播方向不同的球面波，这些球面波经过凸透镜L1后，变成一系列沿不同方向传播的平面波，然后经过沿x方向的柱面透镜CL后，在柱面透镜焦面附近变成一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合，其总的复振幅分布为R(x,y)。
作为进一步的技术方案，ti时刻的物光和编码后的参考光经过分束镜后在条纹相机狭缝处相干涉形成全息图，其强度分布为
x,y是空间坐标，t为时间坐标，i为整数，表示图像的时间序列号；R*(x,y)、O*(x,y,ti)分别为R(x,y)和O(x,y,ti)的共轭项。全息图经过条纹相机剪切后在记录平面交叉叠加得到压缩全息图，ti时刻记录平面上全息图的强度分布为
Is(x,y,ti)＝I(x,y-il,ti) (2)
其中，l为条纹相机的单次剪切长度。所有时刻的全息图经条纹相机剪切后在CCD记录平面上的总的光强分布为
作为进一步的技术方案，我们利用压缩感知算法(如TwIST)对压缩全息图进行再现，恢复出不同时刻物波的复振幅分布。
为实现对上述压缩全息图的再现，即实现对压缩图像的分离与重建，这就要求每个时刻物光和参考光相互干涉之后形成的全息图的+1级空间频谱的中心坐标要有一定的偏离，不能完全重合。若频谱出现了重合，则成功分离重建压缩全息图的先验条件失效，无法实现对压缩图像的重建。因此，本发明设计了一个特殊针孔分布的阵列板对参考光进行“编码”满足了此要求。针孔阵列中所有针孔的直径大小均d，其中第n个针孔的位置坐标为(xn,yn)。其位置坐标由条纹相机的主要参数CCD像素的大小，总像素数、狭缝宽度和剪切长度等参数决定。
设条纹相机CCD的像素大小为Δx＝Δy＝Δ，像素数为M*N，狭缝宽度L(像素数)，剪切长度l(像素数)，入射激光波长为λ，凸透镜和柱面透镜的焦距均为f。根据CCD的参数，可以计算出参考光入射方向与x方向夹角的最小值和最大值，典型值如下：
在
之间对其进行
等分之后，可得一系列的偏移角度
从而计算出针孔阵列的横向坐标、纵向坐标
[y1,y2,...,yn]＝[Δ,2Δ,...,nΔ] (8)
为了验证上述方法的可行性，我们使用了10帧盛开的荷花作为动态场景进行了实验仿真。在仿真中，条纹相机CCD的像素大小设置为5um，像素数为2048*2048，入射激光波长为532nm，凸透镜和柱面透镜的焦距均为10cm，则参考光入射方向与x方向的一系列夹角为
由此可得针孔阵列板的开孔位置。参考光的强度和相位分布如图3、4所示，条纹相机记录压缩全息图如图5所示。利用基于压缩感知的恢复算法成功分离、重建了不同时刻场景的振幅和相位分布图，如图6所示。仿真结果表明，该成像系统能够成功记录动态场景不同时刻的全息图，即可同时记录动态场景的强度和相位信息。使用条纹相机记录，可以达到每秒数十万亿帧的超快成像速度，成功实现对瞬态事件、超快现象的单次记录。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种基于条纹相机的超快压缩全息成像方法，包括：
对激光器发出的激光进行分束，分束后一路作为物光，一路作为参考光；
物光经过瞬态场景中ti时刻复振幅为T(x′,y′,ti)的动态物体后变为O(x′,y′,ti)，该物光波经由显微物镜和镜筒透镜组成的放大系统后进入全息图压缩单元，其复振幅分布变为O(x,y,ti)；
参考光经过针孔阵列板后，变成一系列传播方向不同的球面波，这些球面波经过凸透镜后，变成一系列沿不同方向传播的平面波，然后经过沿x方向的柱面透镜后，在柱面透镜焦面附近变成一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合，其总的复振幅分布为R(x,y)；
参考光与物光在条纹相机的CCD平面上相干涉形成全息图，经由条纹相机剪切后得到压缩全息图。
作为进一步的技术方案，利用压缩感知的恢复算法对压缩全息图进行再现，恢复出不同时刻物波的复振幅分布。
以上实施例二中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，包括：激光发射单元、物光光路单元、参考光光路单元和全息图压缩单元；激光发射单元将发射的激光分为两路，一路作为物光进入物光光路单元，一路作为参考光进入参考光路单元，参考光光路单元对参考光进行编码，与物光光路单元输出的不同时刻的物光分别相干涉形成序列全息图，经过全息图压缩单元后压缩后得到压缩全息图。
2.如权利要求1所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，激光发射单元包括激光器和分束镜，由激光器发出的激光经过针孔滤波准直后变为平行光，然后通过第一分束镜后分成为两路。
3.如权利要求1所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，物光光路单元包括依次设置的第二反射镜、动态物体、显微物镜和镜筒透镜。
4.如权利要求3所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，物光经过瞬态场景中ti时刻复振幅为T(x′,y′,ti)的动态物体后变为O(x',y',ti)，该物光波经由显微物镜和镜筒透镜组成的放大系统后进入全息图压缩单元，其复振幅分布变为O(x,y,ti)。
5.如权利要求1所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，参考光光路单元包括依次设置的针孔阵列板、凸透镜、第一反射镜和柱面透镜。
6.如权利要求5所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，参考光经过针孔阵列板后，变成一系列传播方向不同的球面波，这些球面波经过凸透镜后，变成一系列沿不同方向传播的平面波，然后经过沿x方向的柱面透镜后，在柱面透镜焦面附近变成一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合，其总的复振幅分布为R(x,y)。
7.如权利要求1所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，全息图压缩单元包括第二分束镜和条纹相机；ti时刻的物光和参考光经过第二分束镜后在条纹相机狭缝处相干形成全息图，全息图经过条纹相机剪切后在记录平面交叉叠加得到压缩全息图。
8.如权利要求7所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像系统，其特征在于，利用压缩感知的恢复算法对压缩全息图进行再现，恢复出不同时刻物波的复振幅分布。
9.一种基于条纹相机的超快压缩全息成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
对激光器发出的激光进行分束，分束后一路作为物光，一路作为参考光；
物光经过瞬态场景中ti时刻复振幅为T(x',y',ti)的动态物体后变为O(x',y',ti)，该物光波经由显微物镜和镜筒透镜组成的放大系统后进入全息图压缩单元，其复振幅分布变为O(x,y,ti)；
参考光经过针孔阵列板后，变成一系列传播方向不同的球面波，这些球面波经过凸透镜后，变成一系列沿不同方向传播的平面波，然后经过沿x方向的柱面透镜后，在柱面透镜焦面附近变成一系列入射方向不同、相接且不交叠的长条形平面波的集合，其总的复振幅分布为R(x,y)；
ti时刻的物光和参考光经过第二分束镜合束后进入条纹相机的狭缝，在条纹相机的狭缝处相干涉形成全息图，这些不同时刻形成的全息图经由条纹相机剪切后在CCD平面上交叉叠加，从而形成压缩全息图。
10.如权利要求9所述的基于条纹相机的超快压缩全息成像方法，其特征在于，利用压缩感知的恢复算法对压缩全息图进行再现，恢复出不同时刻物波的复振幅分布。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117389124A (zh) * | 2023-10-12 | 2024-01-12 | 西湖大学 | 一种高速四维压缩全息显微成像装置及方法 |
| CN117389124B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-04-12 | 西湖大学 | 一种高速四维压缩全息显微成像装置及方法 |
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