CN118169957A - 一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，涉及超快成像领域，系统包括光源模块、偏振合束棱镜、成像透镜组、偏振分束棱镜、分幅相机和可见光相机；所述光源模块、所述偏振合束棱镜、所述成像透镜组和所述偏振分束棱镜依次设置；所述光源模块用于提供分幅成像和超快成像的光源；所述光源入射所述偏振合束棱镜得到合束光；客体设置在所述偏振合束棱镜和所述成像透镜组之间；所述成像透镜组用于接收辐照客体后的合束光；经过所述成像透镜组的合束光入射所述偏振分束棱镜；所述偏振分束棱镜用于将合束光中的连续激光反射至所述分幅相机；所述偏振分束棱镜还用于将合束光中的飞秒激光透射至所述可见光相机。本发明能提高空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及超快成像领域，特别是涉及一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统。
背景技术
在超快成像领域，比如爆炸、冲击、闪光以及材料破坏等超快过程，需要用到超快测量技术。目前常用的设备包括高速相机和分幅相机。高速相机的时间响应在微秒级，分幅相机的时间响应在纳秒及亚纳秒级，可以满足大多数高速过程的测量。但对于更高运动速度的过程，比如材料微喷射、微层裂过程，运动过程往往达到数km/s或数十km/s。对于时间分辨在纳秒量级的分幅相机而言，会产生十微米级的运动模糊（比如5km/s×2ns会造成10微米的分辨下降），从而造成细致结构被模糊掉，无法获取更细致的运动变化信息。如果能够将曝光时间控制在皮秒量级以下，则运动模糊带来的空间分辨影响就可以忽略。从而可获得更精细的空间信息。
但是根据分幅相机本身的工作原理，很难进一步提高其时间分辨。单独飞秒激光阴影成像可以实现皮秒量级以下的动态诊断，但是缺乏大时间范围的物理过程信息，难以找到感兴趣的时间窗口。因此亟需提供一种结合分幅相机大时间窗口成像和单独飞秒激光超快成像的技术，同时获得大时间范围内过程信息，以及该时间范围内任意感兴趣的瞬间过程信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，可提高空间分辨率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，包括：光源模块、偏振合束棱镜、成像透镜组、偏振分束棱镜、分幅相机和可见光相机；
所述光源模块、所述偏振合束棱镜、所述成像透镜组和所述偏振分束棱镜依次设置；
所述光源模块用于提供分幅成像和超快成像的光源；所述光源入射所述偏振合束棱镜得到合束光；客体设置在所述偏振合束棱镜和所述成像透镜组之间；所述成像透镜组用于接收辐照客体后的合束光；经过所述成像透镜组的合束光入射所述偏振分束棱镜；所述偏振分束棱镜用于将合束光中的连续激光反射至所述分幅相机；所述偏振分束棱镜还用于将合束光中的飞秒激光透射至所述可见光相机。
可选地，所述光源模块包括连续激光器、飞秒激光器和半波片；
所述半波片设置在所述飞秒激光器和所述偏振合束棱镜之间；所述飞秒激光器用于产生飞秒激光；所述半波片用于对所述飞秒激光进行偏振态调整；所述连续激光器用于产生连续激光；所述连续激光和偏振态调整后的飞秒激光以正交方式入射至所述偏振合束棱镜。
可选地，所述连续激光器为单模激光器；所述飞秒激光器为脉宽小于100飞秒，中心波长为800nm的激光器；所述连续激光器和所述飞秒激光器的偏振态均为线偏振，偏振度均大于100：1。
可选地，所述偏振合束棱镜对于飞秒激光为P偏振；P偏振透过率大于95%；所述偏振合束棱镜对于连续激光为S偏振；S偏振反射率大于99%。
可选地，所述成像透镜组包括依次设置的胶合透镜、第一凸透镜和第二凸透镜。
可选地，所述偏振分束棱镜对于飞秒激光为P偏振；P偏振透过率大于95%；所述偏振分束棱镜对于连续激光为S偏振；S偏振反射率大于99%。
可选地，所述分幅相机的时间分辨率为纳秒级，分幅数大于4分幅。
可选地，还包括第一窄带滤光片；所述第一窄带滤光片设置在所述偏振分束棱镜与所述分幅相机之间且靠近所述分幅相机。
可选地，所述可见光相机的响应波段为300-1100nm；所述可见光相机的面阵大于1024×1024。
可选地，还包括第二窄带滤光片；所述第二窄带滤光片设置在所述偏振分束棱镜与所述可见光相机之间且靠近所述可见光相机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中光源模块、偏振合束棱镜、成像透镜组和偏振分束棱镜依次设置；光源模块用于提供分幅成像和超快成像的光源；光源入射偏振合束棱镜得到合束光；客体设置在偏振合束棱镜和成像透镜组之间；成像透镜组用于接收辐照客体后的合束光；经过成像透镜组的合束光入射偏振分束棱镜；偏振分束棱镜用于将合束光中的连续激光反射至分幅相机；偏振分束棱镜还用于将合束光中的飞秒激光透射至可见光相机。通过调节光源模块的飞秒激光相对客体加载激光的延迟，以及分幅相机相对客体加载激光的延迟，可以使得超快成像取样分幅图像的某个时刻，从而实现长时间分幅图像中的瞬态时刻状态观测，进而提高空间分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明提供的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统示意图；
图2为成像透镜组结构图。
符号说明：
1-光源模块，101-连续激光器，102-飞秒激光器，103-半波片，2-偏振合束棱镜，3-客体，301-客体加载激光，4-成像透镜组，401-胶合透镜，402-第一凸透镜，403-第二凸透镜，5-偏振分束棱镜，6-分幅相机，601-第一窄带滤光片，7-可见光相机，701-第二窄带滤光片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，可提高空间分辨率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，包括：光源模块1、偏振合束棱镜2、成像透镜组4、偏振分束棱镜5、分幅相机6和可见光相机7；所述光源模块1、所述偏振合束棱镜2、所述成像透镜组4和所述偏振分束棱镜5依次设置。
所述光源模块1用于提供分幅成像和超快成像的光源；所述光源入射所述偏振合束棱镜2得到合束光；客体3设置在所述偏振合束棱镜2和所述成像透镜组4之间；所述成像透镜组4用于接收辐照客体3后的合束光；经过所述成像透镜组4的合束光入射所述偏振分束棱镜5；所述偏振分束棱镜5用于将合束光中的连续激光反射至所述分幅相机6；所述偏振分束棱镜5还用于将合束光中的飞秒激光透射至所述可见光相机7。合束光辐照客体3，并被位于客体3后的成像透镜收集后入射到偏振分束棱镜5；客体3被客体加载激光301辐照加载，产生亚mm级空间区域的动态演化。
所述光源模块1包括连续激光器101、飞秒激光器102和半波片103；所述半波片103设置在所述飞秒激光器102和所述偏振合束棱镜2之间；所述飞秒激光器102用于产生飞秒激光；所述半波片103用于对所述飞秒激光进行偏振态调整；所述连续激光器101用于产生连续激光；所述连续激光和偏振态调整后的飞秒激光以正交方式入射至所述偏振合束棱镜2。
所述连续激光器101为单模激光器；所述飞秒激光器102为脉宽小于100飞秒，中心波长为800nm的激光器；所述连续激光器101和所述飞秒激光器102的偏振态均为线偏振，偏振度均大于100：1。具体为，所述光源模块1中连续激光器101为光束口径覆盖探测区域，功率瓦级，偏振态为线偏振，偏振度大于100：1的单模激光器；飞秒激光器102为脉宽小于100飞秒，中心波长约800nm，光束口径覆盖探测区域，具有可外同步单脉冲发射功能、单脉冲能量毫焦级，偏振态为线偏振、偏振度大于100：1的激光器；所述连续激光和飞秒激光的偏振态互相垂直；如图1所示，所述连续激光器101为光束口为1mm，功率瓦级，波长为532nm，偏振态为线偏振，偏振度大于100：1的单模激光器；飞秒激光器102为脉宽小于100飞秒，中心波长约800nm，光束口径为1mm，具有可外同步单脉冲发射功能、单脉冲能量毫焦级，偏振态为线偏振、偏振度大于100：1的激光器；所述飞秒激光器102的可外同步单脉冲发射功能，使得可以通过客体加载激光301提供一个延迟为t1的触发，使得飞秒激光探测客体3加载t1时刻后的图像。所述飞秒激光器102经过所述半波片103的偏振调整后，使得所述连续激光和飞秒激光的偏振态互相垂直。
所述偏振合束棱镜2使得飞秒激光透过，连续激光反射，从而实现两束光的合束；所述偏振合束棱镜2对于飞秒激光为P偏振；P偏振透过率大于95%；所述偏振合束棱镜2对于连续激光为S偏振；S偏振反射率大于99%。具体地，所述偏振合束棱镜2由两块三角形棱镜组成，所述偏振合束棱镜2具有偏振选择性，偏振合束棱镜2的设置使得飞秒激光为P偏振，P偏振透过率大于95%，连续激光为S偏振，S偏振反射率大于99%。
所述成像透镜组4包括依次设置的胶合透镜401、第一凸透镜402和第二凸透镜403。所述成像透镜组4由一个胶合透镜401和两个独立凸透镜组成，通过调节三个透镜之间的距离可以实现连续激光和飞秒激光的消色差和消像差。
所述偏振分束棱镜5使得合束光中连续激光被反射，从而入射分幅相机6中实现分幅照相，使得飞秒激光透过偏振分束棱镜5后，从而入射到可见光相机7被可见光相机7记录实现超快照相。所述偏振分束棱镜5对于飞秒激光为P偏振；P偏振透过率大于95%；所述偏振分束棱镜5对于连续激光为S偏振；S偏振反射率大于99%。具体地，所述偏振分束棱镜5也是由两块三角形棱镜组成，所述偏振分束棱镜5具有偏振选择性，偏振分束棱镜5的设置使得飞秒激光为P偏振，P偏振透过率大于95%，连续激光为S偏振，S偏振反射率大于99%。
通过调节飞秒激光器102相对客体加载激光301的延迟，以及分幅相机6相对客体加载激光301的延迟，可以使得超快成像取样分幅图像的某个时刻，从而实现长时间分幅图像中的瞬态时刻状态观测。实际操作以加载激光为时间零点t0，设置飞秒激光的触发时间为t1。设置分幅相机6的触发时间为t2。分幅相机6总的响应时间ΔT。t1大于t2，于是分幅相机6记录了从客体3演化后t2到t2+ΔT这段时间的过程信息。而可见光相机7则提取了分幅相机6开始曝光后t1-t2时刻的瞬态图像。在通过t2和ΔT确定了感兴趣的时间窗口情况下，调节t1从t2到t2+ΔT连续变化，就可以观察分幅相机6所确定的感兴趣时间窗口内的每个瞬间信息。
所述分幅相机6的时间分辨率为纳秒级，分幅数大于4分幅。用于可见光分幅相机6的超快取样成像系统还包括第一窄带滤光片601；所述第一窄带滤光片601设置在所述偏振分束棱镜5与所述分幅相机6之间且靠近所述分幅相机6。所述分幅相机6具有可外同步采集功能；所述分幅相机6前设置有第一窄带滤光片601，供连续激光中心波长±5nm波长的光通过；分幅照相总的曝光时间为ΔT，从而可以使用客体加载激光301提供一个延迟为t2的触发，使得分幅相机6采集从客体3加载后t2到t2+ΔT这段时间的过程信息。具体为，所述分幅相机6前设置有532nm±5nm的第一窄带滤光片601，供连续激光中心波长的光通过，从而提高分幅成像诊断的信噪比。
所述可见光相机7的响应波段为300-1100nm；所述可见光相机7的面阵大于1024×1024。用于可见光分幅相机6的超快取样成像系统还包括第二窄带滤光片701；所述第二窄带滤光片701设置在所述偏振分束棱镜5与所述可见光相机7之间且靠近所述可见光相机7。所述可见光相机7前设置有第二窄带滤光片701，供800nm激光通过，从而提高超短成像诊断的信噪比。
现有可见光分幅相机受限于其工作原理，其时间分辨限制在纳秒和亚纳秒级，对于某些超快过程存在由于运动模糊而产生的空间分辨降低问题。本发明中提出的超快取样成像方法，可以在感兴趣的时间窗口进行精确取样，实现高时空分辨，帮助进一步分析纳秒时间间隔内的细致动态图像，以及提高空间分辨。以解决以上分幅相机无法提供皮秒量级时间分辨，而飞秒激光成像无法提供大时间范围过程信息的问题，通过一种合束分束方法，实现同时获得大时间范围内过程信息，以及该时间范围内任意感兴趣的瞬间过程信息。通过本发明有效提供了一种可以同时获得大时间范围内过程信息，以及该时间范围内任意感兴趣的瞬间过程信息的方法。
以上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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，包括：光源模块、偏振合束棱镜、成像透镜组、偏振分束棱镜、分幅相机和可见光相机；
所述光源模块、所述偏振合束棱镜、所述成像透镜组和所述偏振分束棱镜依次设置；
所述光源模块用于提供分幅成像和超快成像的光源；所述光源入射所述偏振合束棱镜得到合束光；客体设置在所述偏振合束棱镜和所述成像透镜组之间；所述成像透镜组用于接收辐照客体后的合束光；经过所述成像透镜组的合束光入射所述偏振分束棱镜；所述偏振分束棱镜用于将合束光中的连续激光反射至所述分幅相机；所述偏振分束棱镜还用于将合束光中的飞秒激光透射至所述可见光相机。
2.根据权利要求1所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述光源模块包括连续激光器、飞秒激光器和半波片；
所述半波片设置在所述飞秒激光器和所述偏振合束棱镜之间；所述飞秒激光器用于产生飞秒激光；所述半波片用于对所述飞秒激光进行偏振态调整；所述连续激光器用于产生连续激光；所述连续激光和偏振态调整后的飞秒激光以正交方式入射至所述偏振合束棱镜。
3.根据权利要求2所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述连续激光器为单模激光器；所述飞秒激光器为脉宽小于100飞秒，中心波长为800nm的激光器；所述连续激光器和所述飞秒激光器的偏振态均为线偏振，偏振度均大于100：1。
4.根据权利要求2所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述偏振合束棱镜对于飞秒激光为P偏振；P偏振透过率大于95%；所述偏振合束棱镜对于连续激光为S偏振；S偏振反射率大于99%。
5.根据权利要求1所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述成像透镜组包括依次设置的胶合透镜、第一凸透镜和第二凸透镜。
6.根据权利要求2所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述偏振分束棱镜对于飞秒激光为P偏振；P偏振透过率大于95%；所述偏振分束棱镜对于连续激光为S偏振；S偏振反射率大于99%。
7.根据权利要求1所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述分幅相机的时间分辨率为纳秒级，分幅数大于4分幅。
8.根据权利要求1所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，还包括第一窄带滤光片；所述第一窄带滤光片设置在所述偏振分束棱镜与所述分幅相机之间且靠近所述分幅相机。
9.根据权利要求1所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，所述可见光相机的响应波段为300-1100nm；所述可见光相机的面阵大于1024×1024。
10.根据权利要求1所述的用于可见光分幅相机的超快取样成像系统，其特征在于，还包括第二窄带滤光片；所述第二窄带滤光片设置在所述偏振分束棱镜与所述可见光相机之间且靠近所述可见光相机。
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