CN115580762B - 一种多通道耦合压缩超快成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道耦合压缩超快成像装置，该装置由数据采集系统、时序控制系统及数据重构系统构成；本发明在压缩超快成像技术的基础上，引入多通道耦合技术，提出多通道耦合压缩超快成像技术，即通过透镜阵列将目标瞬态场景复制为三个相同的子场景，并分别进行空间编码，随后三个编码后的子场景同时进入条纹相机中进行成像，最后利用两步迭代收缩/阈值算法进行图像重构。本发明在保持单次多幅成像优势的前提下，通过透镜阵列成倍提高采样率，显著提升了成像的空间和时间分辨率，这对于测量具有复杂空间结构的瞬态事件具有重要意义。此外，该技术也可以与显微镜或望远镜等相结合，在生物成像和天体物理学方面具有潜在的应用前景。

Description

一种多通道耦合压缩超快成像装置

技术领域

本发明涉及超快光学、压缩感知技术及计算成像领域，尤其是一种多通道耦合压缩超快成像装置。

背景技术

在过去十几年中，超快脉冲激光系统、灵敏探测器以及大型计算系统的进步极大地推动了单次多幅超快光学成像（Single-shot Ultrafast Optical Imaging，SUOI）领域的繁荣发展。基于能够在一次曝光中以超快的成像速度获得一系列连续时间图像的能力，SUOI 引起了物理学、化学、光学工程、工业制造、能源、材料科学、生物医学等众多领域研究人员的极大关注，尤其是在观测光学巨波、冲击波、等离子体诊断等不可重复或不可逆的动力学过程时具有得天独厚的优势。在众多的SUOI技术中，压缩超快成像技术（CompressedUltrafast Photography，CUP）通过结合压缩感知（Compressed Sensing，CS）的超高数据压缩比和条纹相机的超高成像速度，可以同时满足超快成像在帧率、序列深度和像素计数上的要求。近年来，CUP在宏观到微观的多尺度成像领域发挥了巨大的作用，并在成像速度、成像维度和应用领域等方面不断取得突破，已成为目前最快的被动式探测单次多幅超快光学成像技术。然而，目前CUP在成像质量方面却存在不足，这是由于CUP拍摄瞬态场景的具体过程是先将瞬态场景的时空三维信息压缩记录在一张二维图像中，再从这张采集到的二维图像中还原出原始场景的几十甚至上百张图像，这远远超过了CS 重构算法能够还原图像的极限，因此常常造成 CUP的重构图像失真，不仅表现在空间上的图像质量模糊，也表现在低于条纹相机的时间分辨上。造成这些问题最关键的原因是数据压缩比过高，即低采样率。因此，提高采样率非常重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种多通道耦合压缩超快成像装置。本发明包括数据采集系统、时序控制系统及数据重构系统；本发明在压缩超快成像技术（Compressed Ultrafast Photography，CUP）的基础上，引入多通道耦合技术，提出多通道耦合压缩超快成像技术（Multichannel-coupled Compressed Ultrafast Photography，MC-CUP），即通过透镜阵列将目标瞬态场景复制为三个相同的子场景，并分别进行空间编码，随后三个编码后的子场景同时进入条纹相机中进行成像，最后利用两步迭代收缩/阈值算法进行图像重构，从而在保持单次多幅的成像优势下成倍地提高采样率，有效改善了图像重建精度，显著提升了空间和时间分辨率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种多通道耦合压缩超快成像装置，其特点包括数据采集系统、时序控制系统及数据重构系统；

所述数据采集系统由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、透射式空间编码器、第七透镜、第八透镜及条纹相机构成，所述第一透镜、第二透镜及透射式空间编码器依次光路连接，第三透镜、第四透镜及透射式空间编码器依次光路连接，第五透镜、第六透镜及透射式空间编码器依次光路连接，透射式空间编码器、第七透镜、第八透镜及条纹相机依次光路连接；

所述时序控制系统由数字延时发生器与光电探测器构成；

所述数据处理系统由计算机构成；

所述数据采集系统的条纹相机分别与时序控制系统的数字延时发生器及数据重构系统的计算机连接。

所述数据采集系统的透射式空间编码器设置在由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及第六透镜分别两两连接组成三个并行成像系统的像平面上。第七透镜与第八透镜构成光学4f系统，透射式空间编码器同时设置在第七透镜的物方焦平面上，条纹相机设置在第八透镜的像方焦平面上。

所述数据采集系统的透射式空间编码器是涂覆一层经随机码图案化加工的金属铬膜的光学玻璃板。

本发明的有益效果是：本发明在压缩超快成像技术的基础上，引入多通道耦合技术，提出多通道耦合压缩超快成像技术，在保持压缩超快成像技术的单次多幅成像优势的前提下，通过透镜阵列将采样率提升至原来的三倍，较大程度上改善了压缩超快成像技术高数据压缩比，即低采样率引起的图像重建精度低，质量差的问题，显著提高了重建场景的空间及时间分辨率。这对于具有复杂空间结构的瞬态事件的测量具有重要意义，进一步拓展了压缩超快成像技术的实际应用场景。根据特定的研究目的，多通道耦合压缩超快成像技术可以应用于其他CCD或CMOS相机，有望在基础科学和应用科学中得到广泛应用。此外，多通道耦合压缩超快成像技术作为一种通用成像装置，可以通过与显微镜和望远镜的不同前置光学耦合实现可扩展的空间分辨率，有效应用于生物成像和天体物理学方面，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为条纹相机内部结构示意图；

图3为透射式空间编码图；

图4为本发明测量的空间调制皮秒激光脉冲的时空演化图；

图5为本发明测量的背向散射时间飞行光子的时空演化图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括数据采集系统100、时序控制系统200及数据重构系统300；

所述数据采集系统100由第一透镜102、第二透镜103、第三透镜104、第四透镜105、第五透镜106、第六透镜107、透射式空间编码器108、第七透镜109、第八透镜110及条纹相机111构成，所述第一透镜102、第二透镜103及透射式空间编码器108依次光路连接，第三透镜104、第四透镜105及透射式空间编码器108依次光路连接，第五透镜106、第六透镜107及透射式空间编码器108依次光路连接，透射式空间编码器108、第七透镜109、第八透镜110及条纹相机111依次光路连接；

所述时序控制系统200由数字延时发生器201与光电探测器202构成；

所述数据处理系统300由计算机构成；

所述数据采集系统100的条纹相机111分别与时序控制系统200的数字延时发生器201及数据重构系统300的计算机连接。

参阅图1，本发明数据采集系统100的透射式空间编码器108设置在由第一透镜102、第二透镜103、第三透镜104、第四透镜105、第五透镜106及第六透镜107分别两两连接组成三个并行成像系统的像平面上。第七透镜109与第八透镜110构成光学4f系统，透射式空间编码器108同时设置在第七透镜109的物方焦平面上，条纹相机111设置在第八透镜110的像方焦平面上。

参阅图3，数据采集系统100的透射式空间编码器108是涂覆一层经随机码图案化加工的金属铬膜的光学玻璃板。

本发明是这样工作的：

参阅图1，本发明数据采集系统100的第一透镜102、第二透镜103、第三透镜104、第四透镜105、第五透镜106及第六透镜107分别两两连接组成三个并行成像系统，三个并行成像系统将待测动态场景101复制为三个子场景并分别成像在一个大尺寸的透射式空间编码器108上，然后分别被透射式空间编码器108独立编码，编码后的子场景由第七透镜109和第八透镜110组成的4f 光学成像系统传递至条纹相机111中进行探测，获得三幅子图像，子图像再传输到数据重构系统300的计算机进行计算重构。

参阅图1，本发明数据采集系统100探测得到的三幅子图像中，在进行MC-CUP和CUP效果对比时，选取中间通道采集的子图像作为CUP 装置的观测图像。

参阅图1、图2，本发明数据采集系统100的条纹相机111选用滨松公司C7700型号条纹相机，三个编码的子场景水平排列进入条纹相机111后，首先在光电阴极上发生光电效应产生电子。随后电子经加速栅极加速进入线性扫描区，在这里，扫描电压会对电子进行时序偏转。最后，电子通过微通道板倍增后，轰击在荧光屏上重新转换回光子。光的时间信息转换为了荧光屏上的位置信息。最终由内置 CMOS 捕获的三幅子图像在水平空间上非常接近，但不重叠。

参阅图3，本发明数据采集系统100的透射式空间编码器108是经过一系列加工的一块长为50mm、宽为15mm、厚度为1mm且透射率大于95%的光学玻璃板。首先在光学玻璃基底上镀一层150nm厚的铬膜，用于阻挡光线。然后采用光刻技术对铬膜进行随机码图案化加工，使得约50%的像素完全透光，从而达到对动态场景的光信号强度进行随机编码的效果。为了与多通道耦合压缩超快成像装置的分辨率相匹配，像素大小和编码图案可以根据需求进行设计和定制。与数字微镜器件相比，透射式空间编码器体积小，价格低，在实验中容易获得。本发明使用的透射式空间编码器基本单元尺寸为80μm。

参阅图1，本发明时序控制系统200的光电探测器202将进入系统的光信号转变为电信号，再将转变的电信号传递给数字延时发生器201，数字延时发生器201对电信号进行延迟处理，来控制数据采集系统100中条纹相机111的开始工作时间，使两个系统同时开始工作，从而记录完整的待测信号。

参阅图1，本发明数据处理系统300的计算机对数据采集系统100的条纹相机111采集到的子图像进行处理，利用两步迭代收缩/阈值（TwIST）算法重构图像，通过调节算法中正则化参数λ的取值来获得一个最接近物理事实的重建结果。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明，包括实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施例1

本实施例对空间调制皮秒激光脉冲时空演化过程进行观测。由锁模钛蓝宝石激光放大器提供中心波长为800 nm，重复频率为100 Hz，脉宽约为200 ps的激光脉冲。输出的激光脉冲经扩束器扩束后覆盖在一个黑色掩膜板中心的透明字母结构“E”上，该字母结构的尺寸为 6 mm×6 mm。随后将穿过字母结构的激光投射到一张薄白纸上，小部分光子可以穿过白纸被MC-CUP装置收集。

参阅图1、图2、图3，待测动态场景101为经空间调制的皮秒激光脉冲时空演化过程，待测动态场景101被数据采集系统100的第一透镜102、第二透镜103、第三透镜104、第四透镜105、第五透镜106及第六透镜107分别两两连接组成三个并行成像系统复制为三个子场景并分别成像在一个大尺寸的透射式空间编码器108上，然后分别被透射式空间编码器108独立编码，编码后的子场景由第七透镜109和第八透镜110组成的4f 光学成像系统传递至条纹相机111中进行探测，获得三幅子图像，子图像再传输到数据重构系统300的计算机进行计算重构。选取中间通道采集的子图像作为CUP 装置的观测图像。

参阅图1、图4，数据处理系统300的计算机使用TwIST算法分别进行计算重建，通过调节算法中正则化参数λ的取值来获得一个最接近物理事实的重建结果，如图4所示，(a)为MC-CUP装置的重建图像，从中可以很好地观察到激光脉冲从出现到消失的整个过程，且随着时间推移，脉冲强度逐渐增加，字母“E”的空间结构也逐渐完整地展现出来。(b)为CUP装置的重建图像，可以看到其整体成像质量明显变差，激光脉冲的空间轮廓不如 MC-CUP 的清晰锐利，且字母“E”脉冲的空间结构也没有完整显现出来。这说明MC-CUP装置的空间分辨率要高于CUP装置。

实施例2

本实施例结合飞行时间检测技术测量背向散射时间飞行光子的时空演化过程，探测器的时间分辨率可以通过其深度分辨率来表征。三维物体为使用3D 打印制作的一个阶梯样品，该阶梯样品共包含 6 个台阶，每个台阶的宽度和高度均为3 mm。一个脉宽为 50fs 的激光脉冲通过工程漫射体 ED 照亮阶梯样品，MC-CUP 装置被放置在与阶梯样品表面垂直的方向上，收集从阶梯表面背向散射的光子。

参阅图1、图2、图3，待测动态场景101为包含三维物体深度信息的背向散射时间飞行光子的时空演化过程，待测动态场景101被数据采集系统100的第一透镜102、第二透镜103、第三透镜104、第四透镜105、第五透镜106及第六透镜107分别两两连接组成三个并行成像系统复制为三个子场景并分别成像在一个大尺寸的透射式空间编码器108上，然后分别被透射式空间编码器108独立编码，编码后的子场景由第七透镜109和第八透镜110组成的4f 光学成像系统传递至条纹相机111中进行探测，获得三幅子图像，子图像再传输到数据重构系统300的计算机进行计算重构。选取中间通道采集的子图像作为CUP 装置的观测图像。

参阅图1、图5，数据处理系统300的计算机使用TwIST算法分别进行计算重建，通过调节算法中正则化参数λ的取值来获得一个最接近物理事实的重建结果，如图5所示，(a)为MC-CUP装置的重建图像，(b)为CUP装置的重建图像。可以看到MC-CUP装置每帧最多观测到3个台阶，对应的时间分辨率为40 皮秒，而CUP装置每帧最多观测到4个台阶，对应的时间分辨率为60 皮秒，因此MC-CUP装置的时间分辨率明显提高。

总体而言，本发明针对CUP技术采样率低的问题，提出了一种多通道耦合压缩超快成像装置，该装置不仅可以实现单次多幅成像，而且能够成倍地提高采样率，有效改善图像重建精度，显著提升空间和时间分辨率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多通道耦合压缩超快成像装置，其特征在于，该装置包括数据采集系统（100）、时序控制系统（200）及数据重构系统（300）；

所述数据采集系统（100）由第一透镜（102）、第二透镜（103）、第三透镜（104）、第四透镜（105）、第五透镜（106）、第六透镜（107）、透射式空间编码器（108）、第七透镜（109）、第八透镜（110）及条纹相机（111）构成，所述第一透镜（102）、第二透镜（103）及透射式空间编码器（108）依次光路连接，第三透镜（104）、第四透镜（105）及透射式空间编码器（108）依次光路连接，第五透镜（106）、第六透镜（107）及透射式空间编码器（108）依次光路连接，透射式空间编码器（108）、第七透镜（109）、第八透镜（110）及条纹相机（111）依次光路连接；

所述时序控制系统（200）由数字延时发生器（201）与光电探测器（202）构成，数字延时发生器（201）连接光电探测器（202）；

所述数据重构系统（300）由计算机构成；

所述数据采集系统（100）的条纹相机（111）分别与时序控制系统（200）的数字延时发生器（201）及数据重构系统（300）的计算机连接；其中：

所述数据采集系统（100）的透射式空间编码器（108）设置在由第一透镜（102）、第二透镜（103）、第三透镜（104）、第四透镜（105）、第五透镜（106）及第六透镜（107）分别两两连接组成三个并行成像系统的像平面上；第七透镜（109）与第八透镜（110）构成光学4f系统，透射式空间编码器（108）同时设置在第七透镜（109）的物方焦平面上，条纹相机（111）设置在第八透镜（110）的像方焦平面上；

三个并行成像系统将待测动态场景（101）复制为三个子场景并分别成像在一个大尺寸的透射式空间编码器（108）上，然后分别被透射式空间编码器（108）独立编码，编码后的子场景由第七透镜（109）和第八透镜（110）组成的4f 光学成像系统传递至条纹相机（111）中进行探测，获得三幅子图像，子图像再传输到数据重构系统（300）的计算机进行计算重构。

2.根据权利要求1所述的多通道耦合压缩超快成像装置，其特征在于，所述数据采集系统（100）的透射式空间编码器（108）是涂覆了一层经随机码图案化加工的金属铬膜的光学玻璃板。