CN118129898A - 一种超快光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光谱成像技术领域，提供了一种超快光谱成像系统，所述超快光谱成像系统包括激光脉冲生成模块、色散模块、信号放大模块、偏振调制模块、信号压缩模块、辐射光纤光栅模块和成像及数据处理模块。本申请首先通过色散模块实现脉冲时域信号与频域波长的强度值的一一对应的线性关系，并使系统能够调节色散量；进而通过压缩及恢复模块，可以大幅度的降低数据采集带宽，降低数据采集量，降低数据采集的成本需求，且系统整体的采集精度高、色散量可调，能够适用于更广泛的应用场景。

Description

一种超快光谱成像系统

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，尤其涉及一种超快光谱成像系统。

背景技术

如何记录超快过程的影像是许多前沿的物理、化学、以及生物学研究必需的关键技术之一。

超快光学成像是一种利用超短激光脉冲进行成像的技术，一般是指在飞秒(fs)级时间尺度上对目标进行的成像，该技术是帮助人类了解各种一瞬即逝的物理或化学过程的一项重要手段。它可以在1*10^-15秒的时间尺度上探测和观测物体的运动和变化，具有极高的时间分辨率和空间分辨率，可用于研究材料的结构、动态过程和光学性质等方面。

此类系统的基本组成包括激光系统、物镜系统、样品平台和探测器等部分。激光系统是超快光学成像系统的核心部件，通常采用飞秒激光器或皮秒激光器，可以产生超短的激光脉冲。物镜系统用于对样品进行成像，通常采用高分辨率的物镜。样品平台用于固定样品并精确定位，以保证成像的准确性。探测器用于记录和测量样品的反射光、透射光或散射光等。

纵使近年来超快成像技术不断取得突破，但现有的超快光学成像系统往往存在两个问题：首先，传统的超快光学成像系统往往依靠色散补偿光纤来实现色散的变化，但一定长度的色散补偿光纤的色散量是固定的，无法调节。其次，传统的超快光学成像系统因为成像速度快，需采集的数据量过于庞大，给后端的数据采集造成了过大的负担，制约了超快光学成像系统的应用。

因此，有待对上述问题进行针对性的改善。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供的一种超快光谱成像系统，旨在解决现有的超快光学成像系统往往依靠色散补偿光纤来实现色散的变化，但一定长度的色散补偿光纤的色散量是固定的，无法调节，且由于超快光学成像系统因为成像速度快，需采集的数据量过于庞大，给后端的数据采集造成了过大的负担，制约了超快光学成像系统的应用的问题。

本申请实施例是这样实现的，提供一种超快光谱成像系统，所述超快光谱成像系统包括：

激光脉冲生成模块，用于产生飞秒激光脉冲；色散模块，用于对所述飞秒激光脉冲进行脉冲展宽，并使所述飞秒激光脉冲的时域信号与其频域波长强度值进行线性对应，得到展宽信号；信号放大模块，用于对所述展宽信号进行放大，得到放大信号；偏振调制模块，用于基于调制电信号对所述放大信号进行调制，得到调制信号；信号压缩模块，用于所述调制信号进行信号压缩以减少数据量，输出压缩信号；辐射光纤光栅模块，用于对所述压缩信号进行偏振调制，以对信号进行强度调制，输出偏振调制信号；成像及数据处理模块，用于对所述偏振调制信号进行数据处理得到成像图像。

优选地，所述偏振调制模块进行信号调制的原理为：

设所述偏振调制模块接收到的所述放大信号为：

L₀(A₁,λ(t),p)

接收到的所述调制电信号为：

E(A₂,f,φ)

其中，A₁为光信号的幅度值，λ是光信号的波长，A₂为电信号的幅度值，f为电信号的频率，φ为电信号的初始相位，p为光信号的偏振态；

则其输出的调制信号为：

其中，A₃为光信号的幅度值。

优选地，所述信号压缩模块的色散量与所述色散模块的色散量相反。

优选地，设所述辐射光纤光栅模块的输入所述压缩信号为： 其中A₄为所述压缩信号中光信号的幅度值，φ为电信号的初始相位，p为光信号的偏振态；则辐射光纤光栅模块输出的调制信号为：/>其中A₅为所述调制信号中光信号的幅度值；所述辐射光纤光栅模块的空间光衍射角度α为：

其中，n为辐射光纤光栅纤芯的折射率，θ为辐射光纤光栅的倾斜角度，Λ为辐射光纤光栅的周期，λ为在辐射光纤光栅传输的光信号的波长。

优选地，所述辐射光纤光栅的倾斜角度θ为45°。

优选地，所述色散模块采用啁啾光纤光栅。

优选地，所述飞秒激光脉冲包含波长处于近红外波段的激光脉冲信号。

优选地，所述信号放大模块基于掺铒光纤放大器将输入的光信号进行增强放大。

优选地，所述成像及数据处理模块基于所述调制电信号，利用压缩感知算法对所述调制信号进行恢复，得到成像图像。

本申请实施例提供的超快光谱成像系统，首先通过色散模块实现脉冲时域信号与频域波长的强度值的一一对应的线性关系，并使系统能够调节色散量；进而通过压缩及恢复模块，可以大幅度的降低数据采集带宽，降低数据采集量，降低数据采集的成本需求，且系统整体的采集精度高、色散量可调，能够适用于更广泛的应用场景。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种超快光谱成像系统的模块连接示意图；

图2为本申请实施例提供的一种不同波长的激光信号进入色散模块的简化路线图；

图3为本申请实施例提供的一种辐射光纤光栅内部的结构图示意图；

图4为本申请实施例提供的一种对图像进行压缩的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种压缩感知算法的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种基于超快光谱成像系统获取到的成像图像的示意图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请实施例中所提到的方位用语，例如，“上”、“下”、“侧”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

术语“和/或”是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。术语“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的，而不能理解为暗示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

图1为本申请实施例提供的一种超快光谱成像系统的模块连接示意图，如图1所示，所述超快光谱成像系统包括：

激光脉冲生成模块，用于产生飞秒激光脉冲；

色散模块，用于对所述飞秒激光脉冲进行脉冲展宽，并使所述飞秒激光脉冲的时域信号与其频域波长强度值进行线性对应，得到展宽信号；

信号放大模块，用于对所述展宽信号进行放大，得到放大信号；

偏振调制模块，用于基于调制电信号对所述放大信号进行调制，得到调制信号；

信号压缩模块，用于所述调制信号进行信号压缩以减少数据量，输出压缩信号；

辐射光纤光栅模块，用于对所述压缩信号进行偏振调制，以对信号进行强度调制，输出偏振调制信号；

成像及数据处理模块，用于对所述偏振调制信号进行数据处理得到成像图像。

在本申请实施例中，辐射光纤光栅在此主要有两个作用，首先，辐射光纤光栅是一种特殊的侧面光发射器件，可以将光纤纤芯内部传输的多波长光经包层侧面发射光到自由空间，作为空间光发射器，辐射光纤光栅的空间光发射效率可高于93％；其次，作为空间光衍射器件，经过辐射光纤光栅的多波长光会产生波长和角度的一一对应关系，实现了波长相关的角度调节。成像及探测模块可由成像样本和高速光电探测器构成，到达高速光电探测器的光信号为：L₄(A₆，φ)，通过探测不同的光脉冲信号到达高速光电探测器的时间进行成像。成像及数据处理模块可实现图像采集和数据处理，可由图像采集硬件以及图像采集软件组合构成，图像处理软件可位于图像采集硬件端或位于其他的含有处理器的硬件端，如电脑设备中。成像及数据处理模块可根据采集的由高速光电探测器采集得到的图像数据和信号发生器的调制电信号，利用压缩感知算法对图像进行恢复。压缩感知算法可以基于信号发生器的调制信号E(A₂，f，φ)和高速光电探测器采集的光学信息L₄(A₆，φ)还原出图像样本信息。

本领域技术人员可知，由于辐射光纤光栅是偏振敏感器件，故而上述偏振调制器也可以用相位调制器等具有相类似功能的设备替代，均在本申请保护范围之内，此处仅以偏振调制模块统一指代。

在本申请实施例中，偏振调制模块的第一端接收经过光放大器之后的光信号，第二端接收用于对所述光信号进行调制的电信号，第三端输出调制后的光信号。辐射光纤光栅可用于对光放大器输出的光信号进行偏振调制，进而实现强度调制，并同时实现空间光路的侧面光发射和空间光衍射。色散模块由可啁啾光纤光栅等构成，根据啁啾光纤光栅的原理，不同波长的光信号经过啁啾光纤光栅后，其经过的路径距离不同，即不同波长的光信号反射回的时间不同，故而经过啁啾光纤光栅的飞秒脉冲光信号得到展宽并实现了脉冲时域信号与频域波长的强度值的一一对应的线性关系。下式可表示布拉格反射波长信号λ和啁啾光纤光栅中波长反射回的位置x的关系：

其中，λ是反射光信号的波长，x是在啁啾光纤光栅中波长反射回的位置，n_eff是啁啾光纤光栅光纤纤芯的有效折射率，Λ₀是啁啾光纤光栅的初始周期，C_chirp是啁啾光纤光栅的啁啾率。

在本申请实施例中，如图图2所示，显示了不同波长的激光信号进入啁啾光纤光栅的简化路线图，不同的波长经过啁啾光纤光栅时，由于其周期的改变，不同波长在啁啾光纤光栅中反射回的位置不同，即不同波长的光经过啁啾光纤光栅后，其传输距离不同，进而导致不同波长的光经过啁啾光纤光栅后，其传输所用的时间是不同的，即产生了光信号的波长与时间的一一对应关系，从而飞秒脉冲光信号经过啁啾光纤光栅后实现了信号展宽。

经过色散模块后，激光脉冲光信号得到了展宽(由飞秒光信号变为纳秒级别的光信号)，因此需要光信号放大。光放大器模块可由EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器)、拉曼放大等构成，可实现对展宽后的光信号进行放大。由于经过色散模块后，光信号的波长与时间的一一对应关系，故信号压缩模块采用与色散模块色散量相反的单模光纤。信号压缩模块可以对展宽后的光信号进行信号压缩，可将其在时域压缩为飞秒光脉冲信号。

本申请实施例提供的超快光谱成像系统，首先通过色散模块实现脉冲时域信号与频域波长的强度值的一一对应的线性关系，并使系统能够调节色散量；进而通过压缩及恢复模块，可以大幅度的降低数据采集带宽，降低数据采集量，降低数据采集的成本需求，且系统整体的采集精度高、色散量可调，能够适用于更广泛的应用场景。

在一个实施例中，所述偏振调制模块进行信号调制的原理为：

设所述偏振调制模块接收到的所述放大信号为：

L₀(A₁,λ(t),p)

接收到的所述调制电信号为：

E(A₂,f,φ)

其中，A₁为光信号的幅度值，λ是光信号的波长，A₂为电信号的幅度值，f为电信号的频率，φ为电信号的初始相位，p为光信号的偏振态；

则其输出的调制信号为：

其中，A₃为光信号的幅度值。

在一个实施例中，设所述辐射光纤光栅模块的输入所述压缩信号为： 其中A₄为所述压缩信号中光信号的幅度值，φ为电信号的初始相位，p为光信号的偏振态；

则辐射光纤光栅模块输出的调制信号为：其中A₅为所述调制信号中光信号的幅度值；所述辐射光纤光栅模块的空间光衍射角度α为：

其中，n为辐射光纤光栅纤芯的折射率，θ为辐射光纤光栅的倾斜角度，Λ为辐射光纤光栅的周期，λ为在辐射光纤光栅传输的光信号的波长。

在一个实施例中，所述辐射光纤光栅的倾斜角度θ为45°。

在本申请实施例中，采用基于45°倾斜光纤光栅的辐射光纤光栅，作为空间光发射器和空间光衍射器件以及偏振敏感器件的集成光纤器件，可以显著的降低系统体积，提升能量效率。

当θ＝45°时，衡量辐射光纤光栅的倾斜角度随波长的发散情况的角度色散D为：

此时，sin(2θ)＝1，辐射光纤光栅的角度色散值最大。

在本申请实施例中，经过信号压缩模块后的光信号进入辐射光纤光栅模块。辐射光纤光栅的内部结构为45°倾斜角度的光纤光栅。如图3所示，为辐射光纤光栅内部的侧面结构图。当输入光信号在纤芯内传播时，只有偏振态s波会被侧面衍射经包层至光纤外部，其余偏振态p波会经过正向纤芯传输穿过辐射光纤光栅。

经过信号压缩模块后的光信号进入辐射光纤光栅模块。辐射光纤光栅的内部结构为45°倾斜角度的光纤光栅。图3为辐射光纤光栅内部的侧面结构图。当输入光信号在纤芯内传播时，只有偏振态s波会被侧面衍射经包层至光纤外部，其余偏振态p波会经过正向纤芯传输穿过辐射光纤光栅。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种压缩模块对图像进行压缩的流程示意图，压缩所采用的图像感知算法可如图5所示。如图4所示，图像原始信息在理论上是可以进行压缩的，即原始图像的信息是稀疏信息。设图像I_M×1有M个像素，在经过光信号和图像信息的卷积(即图像测量信息过程)后，即可进行后续的数据采集。数据采集过后，需要对采集的信息用压缩感知算法进行恢复，即恢复信息过程。恢复的信息可以与原始的信息进行对比。

压缩感知算法示意图如图5所示，原始图像信息与光信号的随机模式(已知)进行卷积，重复N次，则光信号的随机模式矩阵为P_N×M。每次在进行信息采集时，只提取强度信号信息并进行积分，即每次采集时只采集一个强度值，重复N次原始图像信息与光信号的卷积即采集N个强度值，即y_N×1，积分过程可以在硬件或软件中实现，可以得到：

y_N×1＝R_N×M×I_M×1

通过已知的光信号的随机模式和采集的N个强度值即可还原出原始图像(I_M×1)的信息，即：

在一个实施例中，如图6所示，描述了图像的原始样本图(a)和采用本系统的成像结果图(b)。图像的原始样本图如图6a所示，成像区域为方框内的部分，面积大小约为2mm*0.9mm。采用本系统的成像结果图如图6b所示，恢复的图像像素为100*45，本次数据采集重复的次数为20次，即N＝20，M＝100，即可得到图像的数据压缩比为N/M＝20％。

在一个实施例中，所述信号压缩模块的色散量为所述色散模块的色散量的相反数。

在本申请实施例中，信号压缩模块可以用色散补偿光纤或者普通单模光纤。

在一个实施例中，优选地，所述色散模块采用啁啾光纤光栅。

在一个实施例中，所述飞秒激光脉冲包含波长处于近红外波段的激光脉冲信号。

在一个实施例中，所述信号放大模块可基于掺铒光纤放大器将输入的光信号进行增强放大。展宽后的激光脉冲信号经过由EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器)构成的光放大模块，对光信号进行放大，放大后的光信号为：L₀(A₁，λ(t),p)，A₁为光信号的幅度值，λ是光信号的波长，其经过啁啾光纤光栅后，是与时间t一一映射的函数，p为光信号的偏振态。

在一个实施例中，所述成像及数据处理模块基于所述调制电信号，利用压缩感知算法对所述调制信号进行恢复，得到成像图像。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构，并不构成对本申请方案所应用于其上的设备的限定，具体的设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述超快光谱成像系统包括：

激光脉冲生成模块，用于产生飞秒激光脉冲；

色散模块，用于对所述飞秒激光脉冲进行脉冲展宽，并使所述飞秒激光脉冲的时域信号与其频域波长强度值进行线性对应，得到展宽信号；

信号放大模块，用于对所述展宽信号进行放大，得到放大信号；

偏振调制模块，用于基于调制电信号对所述放大信号进行调制，得到调制信号；

信号压缩模块，用于对所述调制信号进行信号压缩以减少数据量，输出压缩信号；

辐射光纤光栅模块，用于对所述压缩信号进行偏振调制，以对信号进行强度调制，输出偏振调制信号；

成像及数据处理模块，用于对所述偏振调制信号进行数据处理得到成像图像。

2.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述偏振调制模块进行信号调制的方法为：

设所述偏振调制模块接收到的所述放大信号为：

L₀(A₁,λ(t),p)

接收到的所述调制电信号为：

E(A₂,f,φ)

其中，A₁为光信号的幅度值，λ是光信号的波长，A₂为电信号的幅度值，f为电信号的频率，φ为电信号的初始相位，p为光信号的偏振态；

则其输出的调制信号为：

其中，A₃为光信号的幅度值。

3.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述信号压缩模块的色散量与所述色散模块的色散量完全相反。

4.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，设所述辐射光纤光栅模块的输入所述压缩信号为：其中A₄为所述压缩信号中光信号的幅度值，φ为电信号的初始相位，p为光信号的偏振态；

则辐射光纤光栅模块输出的调制信号为：其中A₅为所述调制信号中光信号的幅度值；所述辐射光纤光栅模块的空间光衍射角度α为：

其中，n为辐射光纤光栅纤芯的折射率，θ为辐射光纤光栅的倾斜角度，Λ为辐射光纤光栅的周期，λ为在辐射光纤光栅传输的光信号的波长。

5.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述辐射光纤光栅的倾斜角度θ为45°。

6.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述色散模块采用啁啾光纤光栅。

7.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述飞秒激光脉冲包含波长处于近红外波段的激光脉冲信号。

8.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述信号放大模块基于掺铒光纤放大器将输入的光信号进行增强放大。

9.根据权利要求1所述的一种超快光谱成像系统，其特征在于，所述成像及数据处理模块基于所述调制电信号，利用压缩感知算法对所述调制信号进行恢复，得到成像图像。