CN116736621A - 分幅成像装置和分幅成像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及极高速成像技术领域。本申请公开了一种分幅成像装置，包括：啁啾展宽元件，用于展宽入射光，出射啁啾脉冲光；衍射元件，用于将所述啁啾脉冲光分束成在不同方向上传播的衍射光束；第一傅里叶透镜，用于将入射的所述衍射光束出射成中心对称的阵列光束；分幅元件，用于将所述阵列光束分幅成延迟光束；和第二傅里叶透镜，用于将所述延迟光束汇聚到同一照明区域。本申请还公开了一种分幅成像系统。本申请解决了如何在相同时间分辨率的前提下，简化传统分幅成像装置的结构的技术问题。
Description
技术领域
本申请实施例涉及极高速成像技术领域。更具体地说，本申请实施例涉及一种分幅成像装置和分幅成像系统。
背景技术
原子时间(10-12～10-15s)尺度下动态过程的时间分幅技术，是实现单次曝光的极高速成像技术。能够实现极高速成像技术的传统分幅成像装置，例如，公告号为CN102841498B的发明专利，其公开了一种包括啁啾脉冲光生成装置、分光器和相机阵列的超快分幅成像装置。由于该成像装置是由相机阵列对分光器分离出的啁啾脉冲光的不同波长成分进行分别成像，也即，一种波长对应一个相机，由此导致该成像装置结构复杂化、体积较大。
发明内容
本申请实施例的一个目的是解决上述问题，并提供相应的有益效果。
本申请实施例的另一个目的是，提供分幅成像装置和分幅成像系统，至少解决了如何在相同时间分辨率的前提下，简化传统分幅成像装置的结构的技术问题。本申请实施例主要通过以下诸方面中的技术方案实现：
<本申请实施例的第一方面>
本申请的第一方面提供了一种分幅成像装置，包括：
啁啾展宽元件，用于展宽入射光，出射啁啾脉冲光；
衍射元件，用于将所述啁啾脉冲光分束成在不同方向上传播的衍射光束；
第一傅里叶透镜，用于将入射的所述衍射光束出射成中心对称的阵列光束；
分幅元件，用于将所述阵列光束分幅成延迟光束；和
第二傅里叶透镜，用于将所述延迟光束汇聚到同一照明区域。
在一些技术方案中，所述啁啾展宽元件设置为色散元件。
在一些技术方案中，所述色散元件选自光栅对、玻璃柱或者光纤其中一种。
在一些技术方案中，所述衍射元件设置于所述第一傅里叶透镜的前焦面处。
在一些技术方案中，所述分幅元件设置于所述第一傅里叶透镜的后焦面处。
在一些技术方案中，所述分幅元件设置于所述第二傅里叶透镜的前焦面处。
在一些技术方案中，所述分幅元件设置为光阑阵列。
在一些技术方案中，所述分幅元件设置为滤波片阵列。
在一些技术方案中，所述照明区域位于所述第二傅里叶透镜的后焦面处。
在一些技术方案中，所述延迟光束经所述第二傅里叶透镜后，在所述第二傅里叶透镜的后焦面处发生干涉，形成干涉条纹。
在一些技术方案中，所述第一傅里叶透镜和所述第二傅里叶透镜组成一个4f系统。
<本申请实施例的第二方面>
本申请的第二方面提供了一种分幅成像系统，包括：
光源结构、本申请第一方面提供的分幅成像装置和成像结构，其中，所述分幅成像装置根据所述光源结构出射的光源形成一照明区域，所述成像结构对处于所述照明区域的物体进行成像。
在一些技术方案中，所述光源结构包括脉冲激光器和扩束准直组件，其中，所述脉冲激光器用于产生激光光源，所述扩束准直组件用于将所述激光光源准直成所述分幅成像装置的入射光。
在一些技术方案中，所述成像结构包括探测器和至少一个透镜，其中，所述至少一个透镜用于将所述物体成像在所述探测器的像面，所述探测器用于获取所述像面的图像传输至外部电子设备。
本申请的实施例具备以下有益效果：
现有技术中，采用相机阵列来分别对不同波长成分的啁啾脉冲光进行成像，意味着，现有技术中有多个照明区域，每个照明区域与相机阵列中的其中一个相机对应，因此，现有技术需在不同的照明区域对啁啾脉冲光的不同的波长成分单独成像。与此截然不同的是，本申请实施例通过在衍射元件后设置第一傅里叶透镜、分幅元件和第二傅里叶透镜，使得衍射光束在分幅延迟之后，最终能够在同一照明区域照明，基于此，本申请可以在同一照明区域对啁啾脉冲光的不同的波长成分单独成像，也即，只需一个成像器(例如一个相机)即可。因此，本申请可以在相同时间分辨率的前提下，简化传统分幅成像装置的结构，从而减小了传统分幅成像装置的体积。
在一些技术方案中，所述衍射元件和4f系统实现了分幅结构的集成，使得所述分幅成像装置小型化和集成化。
本申请中采用衍射元件和4f系统的结合，可以实现各种视场大小的照明区域，因此，可以应用于各种视场，解决传统分幅成像装置视场受限的问题。
在一些技术方案中，本申请的分幅成像系统包含光源结构、本申请第一方面提供的分幅成像装置和成像结构，使得时间延迟结构(也即分幅成像装置)与成像结构相互独立，由此，本申请可以随时更换所述分幅成像装置，从而解决时延调制范围小或难以调节的问题。
除非另有定义，否则，本文中使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解具有相同的含义。
在上述各方面中所提及的关于本发明的各种特征和实施方式，视情况而定，在适当变通的情况下可以应用于其他方面。因此，一个方面中的具体特征可以与其他方面中的具体特征适当地进行组合。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的分幅成像装置在一些实施例中的结构示意图；
图2为本发明的入射光在一些实施例中的脉宽图；
图3为本发明的啁啾脉冲光在一些实施例中的脉宽图；
图4为本发明的阵列光束在一些实施例中的光场示意图；
图5为本发明中光谱在照明区域的脉宽图；
图6为本发明的光阑阵列在一些实施例中的光场示意图；
图7为本发明的滤波片阵列在一些实施例中的光场示意图；
图8为本发明的条纹图案在一些实施例中的图像复原原理示意图；
图9为本发明的分幅成像系统在一些实施例中的结构示意图；
图10为本发明的分幅成像系统在另一些实施例中的结构示意图；
图11为本发明的照明区域和成像结构在一些实施例中的结构示意图；
图12为本发明的光源结构在一些实施例中的结构示意图；
图13为本发明的探测器在一些实施例中的图像复原原理示意图；
附图标号说明：
10、分幅成像装置；11、啁啾展宽元件；12、衍射元件；13、第一傅里叶透镜；14、分幅元件；15、第二傅里叶透镜；
20、分幅成像系统；
21、光源结构；211、脉冲激光器；212、扩束准直组件；
22、成像结构；221、至少一个透镜；222、探测器；
A、照明区域；
L1、入射光；L2、啁啾脉冲光；L3、衍射光束；L4、阵列光束；L5、延迟光束。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例的说明书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜是用于区别不同的傅里叶透镜，而不是用于描述傅里叶透镜的特定顺序。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以下结合附图对本申请的具体实施方式进行进一步的说明。
<分幅成像装置>
如图1所示，为本发明提供的一种分幅成像装置10的结构示意图，在图1中，所述分幅成像装置10包括：
啁啾展宽元件11，用于展宽入射光L1，出射啁啾脉冲光L2；
衍射元件12，用于将所述啁啾脉冲光L2分束成在不同方向上传播的衍射光束L3；
第一傅里叶透镜13，用于将入射的所述衍射光束L3出射成中心对称的阵列光束L4；
分幅元件14，用于将所述阵列光束L4分幅成延迟光束L5；和
第二傅里叶透镜15，用于将所述延迟光束L5汇聚到同一照明区域A。
于本实施例中，所述啁啾展宽元件11、所述衍射元件12、第一傅里叶透镜13、所述分幅元件14和第二傅里叶透镜15沿同一光轴依次设置。
所述入射光L1为飞秒激光脉冲。所述入射光L1的脉宽短，所有光谱都位于同一个时刻，所述入射光L1的脉宽可以参考图2所示。
所述啁啾展宽元件11设置为色散元件。所述色散元件选自光栅对、玻璃柱、棱镜对或者光纤其中一种。
所述入射光L1经所述啁啾展宽元件11展宽，出射所述啁啾脉冲光L2，此时，所述啁啾脉冲光L2中不同的光谱对应不同的时刻。所述啁啾脉冲光L2的脉宽可以参考图3所示，在图3中，λ1表示第1个光谱，t1代表λ1对应的时间，λn表示第n个光谱，tn代表λn对应的时间。
所述衍射元件12设置于所述第一傅里叶透镜13的前焦面处。于本申请中，增加画幅的方式，可以采用不同的所述衍射元件12实现分束，基于此，本申请可以不增加结构大小，降低装调难度。
所述衍射光束L3经所述第一傅里叶透镜13出射，在所述第一傅里叶透镜13的后焦面处形成阵列光束L4，所述阵列光束L4的点阵图案参照图4所示。在图4中，由于所述阵列光束L4为超短脉冲，包含多种光谱(即图4中λ1-λn)，因此除中心主极大外，在所述第一傅里叶透镜13后面形成的点延中心角向拉长。
所述分幅元件14将所述阵列光束L4分割成一系列时序的子脉冲，这些子脉冲即是延迟光束L5。所述分幅元件14设置于所述第一傅里叶透镜13的后焦面处。所述分幅元件14还用于对所述阵列光束L4进行滤波。
所述分幅元件14设置于所述第二傅里叶透镜15的前焦面处。
所述延迟光束L5经所述第二傅里叶透镜15汇聚到所述照明区域A，所述照明区域A位于所述第二傅里叶透镜15的后焦面处。
所述照明区域A中光谱的脉宽如图5所示。在图5中，λ1-λn代表不同波长，t1-tn代表λ1-λn每个波长对应的时间。
在上述实施方式中，本申请实施例通过在衍射元件12后设置第一傅里叶透镜13、分幅元件14和第二傅里叶透镜15，使得衍射光束L3在分幅延迟之后，最终能够在同一照明区域A照明，基于此，本申请可以在同一照明区域A对啁啾脉冲光L2的不同的波长成分单独成像，也即，只需一个成像器(例如一个相机)即可。因此，本申请可以在相同时间分辨率的前提下，简化传统分幅成像装置10的结构，从而减小了传统分幅成像装置10的体积。
在一些实施方式中，所述分幅元件14设置为光阑阵列。采用所述光阑阵列对所述阵列光束L4进行滤波，可以出射出中心对称，且两个点为一对延迟光束L5。所述光阑阵列的光场示意图如图6所示。在图6中，λ1-λn代表不同波长。
在一些实施方式中，所述分幅元件14设置为滤波片阵列。所述滤波片阵列可以是窄带滤波片阵列。其也可出射出中心对称，且两个点为一对延迟光束L5。所述滤波片阵列的光场示意图如图7所示。在图7中，λ1-λn代表不同波长。
在一些实施方式中，所述延迟光束L5经所述第二傅里叶透镜15后，在所述第二傅里叶透镜15的后焦面处发生干涉，形成干涉条纹图案，如图8所示。在图8中，λ1-λn代表不同波长，t1-tn代表λ1-λn每个波长对应的时间，也即，图8中有n种波长，每一种波长可以形成一组不同方向的干涉条纹。形成所述干涉条纹的照明光照明动态物体，即可以携带动态物体的信息。
所述动态物体的信息，指的是被照明的物体被照明时某一刻的成像图像。
所述干涉条纹为透过率分布，透过率分布满足以下条件：
其中，T表示透过率，x、y表示空间位置，i表示第几个条纹方向，θ表示条纹方向的角度，f表示条纹的频率(即单位长度内条纹数量)，n表示一共多少组条纹。
在一些实施方式中，所述第一傅里叶透镜13和所述第二傅里叶透镜15组成一个4f系统。
<分幅成像系统>
如图9-12所示，为本申请提供的一种分幅成像系统20的结构示意图，在图9-12中，所述分幅成像系统20包括：光源结构21、本申请第一方面提供的分幅成像装置10和成像结构22，其中，所述分幅成像装置10根据所述光源结构21出射的光源形成一照明区域A，所述成像结构22对处于所述照明区域A的物体进行成像。
在一些技术方案中，如图12所示，所述光源结构21包括脉冲激光器211和扩束准直组件212，其中，所述脉冲激光器211用于产生激光光源，所述扩束准直组件212用于将所述激光光源准直成所述分幅成像装置10的入射光L1。
在一些技术方案中，如图11所示，所述成像结构22包括探测器222和至少一个透镜221，其中，所述至少一个透镜221用于将所述物体成像在所述探测器222的像面，所述探测器222用于获取所述像面的图像传输至外部电子设备。
所述探测器222的像面的图像如图8所示，是所有时刻携带动态物体的信息的不同角度条纹的叠加像，通过傅里叶变换后，获得如图13所示图像，在图13中，t1-tn每个波长对应的时间。
以上所述为本申请最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本申请的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本申请的技术启示而进行的等效变换，也在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.分幅成像装置，其特征在于，包括：
啁啾展宽元件，用于展宽入射光，出射啁啾脉冲光；
衍射元件，用于将所述啁啾脉冲光分束成在不同方向上传播的衍射光束；
第一傅里叶透镜，用于将入射的所述衍射光束出射成中心对称的阵列光束；
分幅元件，用于将所述阵列光束分幅成延迟光束；和
第二傅里叶透镜，用于将所述延迟光束汇聚到同一照明区域。
2.根据权利要求1所述的分幅成像装置，其特征在于，所述啁啾展宽元件设置为色散元件。
3.根据权利要求2所述的分幅成像装置，其特征在于，所述色散元件选自光栅对、玻璃柱或者光纤其中一种。
4.根据权利要求3所述的分幅成像装置，其特征在于，所述衍射元件设置于所述第一傅里叶透镜的前焦面处；
所述分幅元件设置于所述第一傅里叶透镜的后焦面处；
所述分幅元件设置于所述第二傅里叶透镜的前焦面处；
所述照明区域位于所述第二傅里叶透镜的后焦面处。
5.根据权利要求4所述的分幅成像装置，其特征在于，所述分幅元件设置为光阑阵列。
6.根据权利要求4所述的分幅成像装置，其特征在于，所述分幅元件设置为滤波片阵列。
7.根据权利要求5或6任一项所述的分幅成像装置，其特征在于，所述延迟光束经所述第二傅里叶透镜后，在所述第二傅里叶透镜的后焦面处发生干涉，形成干涉条纹；
所述第一傅里叶透镜和所述第二傅里叶透镜组成一个4f系统。
8.分幅成像系统，其特征在于，包括：
光源结构、本申请第一方面提供的分幅成像装置和成像结构，其中，所述分幅成像装置根据所述光源结构出射的光源形成一照明区域，所述成像结构对处于所述照明区域的物体进行成像。
9.根据权利要求8所述的分幅成像系统，其特征在于，所述光源结构包括脉冲激光器和扩束准直组件，其中，所述脉冲激光器用于产生激光光源，所述扩束准直组件用于将所述激光光源准直成所述分幅成像装置的入射光。
10.根据权利要求9所述的分幅成像系统，其特征在于，所述成像结构包括探测器和至少一个透镜，其中，所述至少一个透镜用于将所述物体成像在所述探测器的像面，所述探测器用于获取所述像面的图像传输至外部电子设备。
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