CN121348552B - 基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统以及方法，属于光学成像技术领域，系统包括超短脉冲激光器、色度色散透镜元件、共聚焦显微光路结构、位移平台以及色散傅里叶变换模块，通过超短脉冲激光技术、色度共焦原理与色散傅里叶变换融合，构建了大视场、高分辨率、超快扫描三维成像系统，实现以脉冲重复频率为刷新率的纵向快速采样，并通过横向机械扫描完成全三维重构，从而为超快动态过程的精准观测提供全新的技术手段，能够解决现有技术中共聚焦与色度共焦三维成像技术普遍存在成像速度慢、探测带宽低、信噪比不高、时间分辨率不足等问题。

Description

基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统以及方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体地说涉及基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统以及方法。

背景技术

在高能激光系统中，光学元件表面或薄膜层长期承受高强度激光辐照，极易因瞬时热积累引发微米量级的形变甚至局部损伤。此类动态损伤过程在连续波激光系统中可持续数微秒，在脉冲激光系统中更可短至纳秒乃至皮秒量级。这种快速演变的面形畸变不仅会引入显著的波前像差，影响光束质量，还可能通过级联效应对下游光学组件造成连锁性破坏。因此，实现对光学元件表面形貌的高时空分辨率、实时在线三维监测，已成为保障大型激光装置稳定运行的关键需求。

共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）作为一种成熟的三维光学成像技术，自20世纪70年代提出以来，已在生物医学、材料科学和精密检测等领域广泛应用。其核心原理是利用空间针孔滤除离焦光线，仅采集焦点处的反射或荧光信号，从而获得高横向与轴向分辨率的光学切片图像。通过逐点逐层扫描，CLSM能够重构出样品的三维形貌，在静态或缓变过程的测量中表现出优异性能。

然而，传统CLSM依赖机械扫描机构完成X-Y平面及Z轴方向的三维扫描，其成像速度受限于振镜响应时间、压电位移台运动精度以及探测器积分时间等因素，难以满足微秒至纳秒量级动态过程的观测需求。为提升轴向扫描效率，色度共焦技术（ChromaticConfocal Technology）应运而生。该技术利用特定色散透镜将宽带光源的不同波长成分聚焦于轴向不同深度位置，通过检测反射光最强的波长即可确定被测点的高度，从而以“波长编码深度”的方式替代Z向机械扫描，显著提高轴向测量速度。

尽管如此，现有色度共焦系统仍存在若干瓶颈：首先，多数系统采用白光或宽谱LED作为光源，其空间相干性较差，导致共焦针孔抑制杂散光的能力下降，信噪比不高；其次，光谱信息通常需借助光谱仪进行分光检测，而光谱仪的采集速率受限于CCD或线阵探测器的读出速度，成为整体帧率提升的瓶颈；再次，常规多色光源的频谱特性难以支持超快、单次脉冲尺度上的高精度测量，限制了其在超快动态过程监测中的应用。

发明内容

针对现有技术的种种不足，现提出基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统以及方法，以解决现有技术中共聚焦与色度共焦三维成像技术普遍存在成像速度慢、探测带宽低、信噪比不高、时间分辨率不足等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，包括：

超短脉冲激光器，用于输出具有宽频谱特性的超短脉冲激光；

色度色散透镜元件，配置为将所述超短脉冲激光的不同波长成分聚焦至其光轴方向上的不同纵向位置，形成沿光轴分布的纵向焦斑；

共聚焦显微光路结构，配置为形成与被测焦点共轭的探测焦点，使得来自被测焦点的反射光经原路返回后汇聚至探测焦点，所述被测焦点为所述超短脉冲激光经所述色度色散透镜元件聚焦后在被测物体表面所形成的光斑；

位移平台，用于驱动被测物体在与所述光轴垂直的横向平面内移动，以实现对所述被测物体的三维扫描；

以及色散傅里叶变换模块，用于将反射光的光谱信息转换为时域脉冲波形。

本技术方案进一步设置为，所述共聚焦显微光路结构包括：

准直透镜，用于对超短脉冲激光进行准直，并对反射光进行汇聚；

以及光纤环形器，其第一端口连接所述超短脉冲激光器，其第二端口连接所述准直透镜，其第三端口输出被测焦点反射的反射光，所述反射光传输至所述色散傅里叶变换模块，所述探测焦点位于光纤环形器第二端口所连接的光纤末端。

本技术方案进一步设置为，所述色度色散透镜元件设置为菲涅尔波带片，四相级衍射透镜，八相级衍射透镜，色散透镜，或超表面透镜。

本技术方案进一步设置为，所述色散傅里叶变换模块包括具有群速度色散的传输介质，所述传输介质设置为单模光纤，色散补偿光纤，少模光波导，或啁啾布拉格光纤光栅。

本技术方案进一步设置为，还包括时间透镜模块和光电探测器；

所述时间透镜模块连接所述色散傅里叶变换模块的输出端，用于将转换后的时域脉冲波形进行拉伸放大；

所述光电探测器用于将拉伸放大后的光信号转换为电信号。

本技术方案进一步设置为，还包括示波器，所述示波器连接所述光电探测器的输出端，用于采集并显示所述电信号的时域波形。

第二方面，本发明提供一种基于超短脉冲激光与色度共焦的超快扫描三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、由超短脉冲激光器产生具有宽频谱特性的超短脉冲激光；

S200、通过色度色散透镜元件将所述超短脉冲激光的不同波长成分聚焦至其光轴方向上的不同纵向位置，形成纵向焦斑；

S300、通过位移平台带动被测物体在横向平面内移动，同时，通过共聚焦显微光路结构收集反射光；

S400、利用色散傅里叶变换模块将反射光的光谱信息转换为时域脉冲波形，并基于所述时域脉冲波形重建被测物体的三维形貌图像。

本技术方案进一步设置为，所述纵向焦斑沿着Z轴分布，所述位移平台带动被测物体在X-Y平面内移动，使得被测物体上的待测点依次穿过纵向焦斑区域，实现横向空间采样。

本技术方案进一步设置为，S400中，所述三维形貌图像的重建过程包括：

对所述时域脉冲波形进行解调，获取不同波长成分的反射率信息；

根据预先标定的波长与纵向深度的映射关系，确定各深度层的反射强度；

结合位移平台的横向位置信息，重构出被测物体表面的三维形貌数据。

本发明的有益效果是：

通过超短脉冲激光技术、色度共焦原理与色散傅里叶变换的创新融合，构建了一种新型的大视场、高分辨率、超快扫描三维成像系统，实现以脉冲重复频率为刷新率的纵向快速采样，并通过横向机械扫描完成全三维重构，从而为超快动态过程的精准观测提供全新的技术手段，从根本上突破了传统共聚焦显微技术在成像速度上的物理瓶颈，不仅实现了从“慢速逐层扫描”到“超快并行探测”的跨越，而且在信噪比、稳定性与实用性方面取得全面提升。

附图说明

图1为本发明实施例中基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统的示意图；

图2为本发明实施例中共聚焦显微光路结构的示意图；

图3为本发明实施例中基于超短脉冲激光与色度共焦的超快扫描三维成像方法的流程框图；

附图中：100、超短脉冲激光器；200、共聚焦显微光路结构；201、光纤环形器；202、准直透镜；300、色度色散透镜元件；400、被测物体；500、位移平台；600、色散傅里叶变换模块；700、时间透镜模块；800、光电探测器；900、示波器；

附图2中，1表示光纤环形器的第一端口；2表示光纤环形器的第二端口；3表示光纤环形器的第三端口。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

根据本发明实施例，提供了一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，请参阅图1至图2，包括：

超短脉冲激光器100，用于输出具有宽频谱特性的超短脉冲激光；

色度色散透镜元件300，配置为将所述超短脉冲激光的不同波长成分聚焦至其光轴方向上的不同纵向位置，形成沿光轴分布的纵向焦斑；

共聚焦显微光路结构200，配置为形成与被测焦点共轭的探测焦点，使得来自被测焦点的反射光经原路返回后汇聚至探测焦点，所述被测焦点为所述超短脉冲激光经所述色度色散透镜元件300聚焦后在被测物体400表面所形成的光斑；

位移平台500，用于驱动被测物体400在与所述光轴垂直的横向平面内移动，以实现对所述被测物体400的三维扫描；

以及色散傅里叶变换模块600，用于将反射光的光谱信息转换为时域脉冲波形。

具体的，超短脉冲激光作为照明光，以光脉冲串的形式对被测物体400进行连续单帧照明。超短脉冲激光的光谱特点是具有几十纳米宽度的平顶光谱，其一方面具有MHz的重复频率，能实现对同一位置进行非常多脉冲的同时测量，经过平均可以获得更精确的成像信息；另一方面具有良好的相干性，提高了反射光光强，突破普通白光光源及其它光源由于相干性差而带来的探测信号低信噪比，有效提升了信噪比，获得了更高的空间分辨率。

可以理解的是，通过超短脉冲激光技术、色度共焦原理与色散傅里叶变换的创新融合，构建了一种新型的大视场、高分辨率、超快扫描三维成像系统，实现以脉冲重复频率为刷新率的纵向快速采样，并通过横向机械扫描完成全三维重构，从而为超快动态过程的精准观测提供全新的技术手段，从根本上突破了传统共聚焦显微技术在成像速度上的物理瓶颈，不仅实现了从“慢速逐层扫描”到“超快并行探测”的跨越，而且在信噪比、稳定性与实用性方面取得全面提升。

在本实施例的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统中，请参阅图1至图2，所述共聚焦显微光路结构200包括：

准直透镜202，用于对超短脉冲激光进行准直，并对反射光进行汇聚；

以及光纤环形器201，其第一端口连接所述超短脉冲激光器100，其第二端口连接所述准直透镜202，其第三端口输出被测焦点反射的反射光，所述反射光传输至所述色散傅里叶变换模块600，所述探测焦点位于光纤环形器第二端口所连接的光纤末端。

具体的，光纤环形器201实现光路的单向循环传输，将从超短脉冲激光器100输出的光从第一端口1导入，从第二端口2输出至后续光路；再将从被测物体400反射回来的反射光从第二端口2输入，从第三端口3输出至色散傅里叶变换模块600。光纤环形器201作为光路的“交通枢纽”，分离入射的照明光和返回的反射光，是实现共路干涉和信号采集的关键器件。

具体的，准直透镜202对从光纤环形器201输出的发散激光束进行准直，形成平行光束；同时，对从被测物体400反射并经过色度色散透镜元件300返回的反射光进行聚焦，使其高效耦合回光纤，保证光束质量，减少色差，确保不同波长的光都能有效传输和聚焦，维持系统的高分辨率。

具体的，光纤末端位于光纤环形器第二端口2与准直透镜202的连接处，既是照明光的输出面，也是反射光的接收面。作为探测焦点的载体，它通过位置共轭关系确保只有被测焦点的光被高效采集，是提升系统分辨率和信噪比的关键结构。

在本实施例的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统中，请参阅图1至图2，所述色度色散透镜元件300设置为菲涅尔波带片，四相级衍射透镜，八相级衍射透镜，色散透镜，或超表面透镜。

可以理解的是，超短脉冲激光是具有一定频谱范围的宽频光，色度色散透镜元件300本身是实现聚焦功能的元件，具有设计的中心波长与设计的焦距；由色散导致不同波长的光经过色度色散透镜元件300时的焦距是不同的，焦距与波长的关系在中心波长附近是近似的线性相关关系；因此，从同一点发出的宽频超短脉冲激光经过色度色散透镜元件300后的焦点位置与激光波长是线性相关的。

在本实施例的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统中，请参阅图1至图2，所述色散傅里叶变换模块600包括具有群速度色散的传输介质，所述传输介质设置为单模光纤，色散补偿光纤，少模光波导，或啁啾布拉格光纤光栅。

在本实施例的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统中，请参阅图1至图2，还包括时间透镜模块700和光电探测器800；

所述时间透镜模块700连接所述色散傅里叶变换模块600的输出端，用于将转换后的时域脉冲波形进行拉伸放大；

所述光电探测器800用于将拉伸放大后的光信号转换为电信号。

具体的，所述时间透镜模块700可采用但不限于基于电光调制、声光调制或光学非线性的方案实现，其核心是对光脉冲施加二次相位调制并配合色散完成时域变换。

在本实施例的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统中，请参阅图1至图2，还包括示波器900，所述示波器900连接所述光电探测器800的输出端，用于采集并显示所述电信号的时域波形。

实施例二：

根据本发明实施例，提供了一种基于超短脉冲激光与色度共焦的超快扫描三维成像方法，请参阅图1至图3，包括以下步骤：

S100、由超短脉冲激光器100产生具有宽频谱特性的超短脉冲激光；

S200、通过色度色散透镜元件300将所述超短脉冲激光的不同波长成分聚焦至其光轴方向上的不同纵向位置，形成纵向焦斑；

S300、通过位移平台500带动被测物体400在横向平面内移动，同时，通过共聚焦显微光路结构200收集反射光，并利用光纤末端与被测焦点的共轭关系滤除杂散光；

S400、利用色散傅里叶变换模块600将反射光的光谱信息转换为时域脉冲波形，并基于所述时域脉冲波形重建被测物体的三维形貌图像。

进一步地，所述纵向焦斑沿着Z轴分布，所述位移平台500带动被测物体400在X-Y平面内移动，使得被测物体400上的待测点依次穿过纵向焦斑区域，实现横向空间采样。

具体的，操作所述位移平台500，带动被测物体400在垂直于光轴的平面（即XOY平面）内进行移动。通过精密控制所述位移平台500的横向（X向和Y向）位置，将被测物体400表面的待测点依次移动至所述超短脉冲激光经色度色散透镜元件300后所形成的纵向焦斑的轴向测量区域内，以确保该点的反射光信号能够被有效收集。位移平台500的横向扫描结合超短脉冲激光的髙重复频率，实现以“单次水平扫描时间为周期的三维成像”，满足光学元件在线监测的实时性需求。

进一步地，S400中，所述三维形貌图像的重建过程包括：

S401、对所述时域脉冲波形进行解调，获取不同波长成分的反射率信息。

具体的，采用色散傅里叶变换技术，将携带被测物体400信息的反射光谱“映射”到时域。当反射光通过具有强群速度色散的传输介质时，不同频率（波长）的光分量因传播速度不同而产生“走离”效应。原本在频域上同时存在的光谱成分，在时域上被“拉伸”成一个随时间变化的脉冲波形，脉冲波形的包络形状即对应原始光谱的强度分布。

光电探测器800将该时域脉冲波形转换为电压信号，示波器900以高采样率采集该电压信号，获得数字化的时域波形；通过包络提取算法（如希尔伯特变换、平方律检波等）或直接进行傅里叶逆变换，从时域波形中恢复出反射光的光谱强度分布。

由于不同时间点对应不同波长，因此可将时间轴标定为波长轴，从而得到每个波长成分的反射强度，即“不同波长成分的反射率信息”，实现了无需传统光谱仪的高速光谱解调，探测速度由示波器900采样率决定（可达GHz量级），远高于CCD光谱仪（kHz级），为超快成像奠定基础。

S402、根据预先标定的波长与纵向深度的映射关系，确定各深度层的反射强度。

具体的，色度色散透镜元件300具有强烈的波长依赖性焦距特性，即短波长聚焦于较远位置，长波长聚焦于较近位置。因此，系统在设计时已建立波长λ↔纵向深度z的一一对应关系，即“波长-深度映射函数 z(λ)”。将S401中获得的“各波长反射率”数据，依据标定好的λ-z映射关系，转换为“各深度层的反射强度”。通过这种方式，单次脉冲测量即可获得被测点沿深度方向（Z轴）的一维剖面信息，相当于一次“光学切片”。用“波长编码深度”替代了传统的Z向机械扫描，实现“单次照明、全深度并行探测”，极大提升轴向扫描速度。

S403、结合位移平台500的横向位置信息，重构出被测物体400表面的三维形貌数据。

具体的，位移平台500在X-Y平面内精确移动被测物体400，使超短脉冲激光的纵向焦斑依次扫描被测物体400表面的每一个横向位置（x, y），每扫描一个横向点，系统即完成一次上述的“光谱→时域→深度剖面”解调，获得该点处的Z向形貌数据。对每一个横向坐标(x, y)，系统记录其对应的深度剖面(z)，将所有 (x, y, z) 位置上的反射强度组织为三维数据立方体。通过图像处理算法（如峰值检测、阈值分割、表面追踪等），提取每个 (x, y)位置下反射最强的z值，即为该点的表面深度。最终生成被测物体400的三维点云图或数字高程模型，并可视化为三维形貌图像。

实施例三：

根据本发明实施例，提供了一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，请参阅图1至图3。

超短脉冲激光器100输出的超短脉冲激光通过光纤进入光纤环形器201的第一端口1，从光纤环形器201的第二端口2输出至消色差双合透镜进行准直，准直后的光束通过菲涅尔波带片，在与波长呈线性相关的焦距处汇聚成纵向焦斑。操作位移平台500使被测物体400处于纵向焦斑处，被测物体400反射一束发散的发射光，发散的反射光反向经过菲涅尔波带片将会汇聚成平行光注入消色差双合透镜，再次汇聚入光纤，输入光纤环形器201的第二端口2，并从光纤环形器201的第三端口3输出。每一次脉冲光都会重复进行测量，反射光中不同波长分量可以计算出不同波长的反射率，得到不同纵向深度位置的反射率信息。光电探测器800通过采集光信号(光强)转化为电信号(电压)，示波器900将电信号(以数字方式)采样、存储、显示，展示为时间域上的波形，信号处理模块将采集到的信号转化为被测物体400纵向图像信息并展示，并在位移平台500扫描完水平面后重构出被测物体400三维图像信息并展示，实现以脉冲重复频率为测量刷新帧率的超快一维纵向成像、以单次水平扫描时间为周期的三维成像。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，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。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，其特征在于，包括：

超短脉冲激光器，用于输出具有宽频谱特性的超短脉冲激光；

色度色散透镜元件，配置为将所述超短脉冲激光的不同波长成分聚焦至其光轴方向上的不同纵向位置，形成沿光轴分布的纵向焦斑；

共聚焦显微光路结构，配置为形成与被测焦点共轭的探测焦点，使得来自被测焦点的反射光经原路返回后汇聚至探测焦点，所述被测焦点为所述超短脉冲激光经所述色度色散透镜元件聚焦后在被测物体表面所形成的光斑；

所述共聚焦显微光路结构包括：准直透镜，用于对超短脉冲激光进行准直，并对反射光进行汇聚；光纤环形器，其第一端口连接所述超短脉冲激光器，其第二端口连接所述准直透镜，其第三端口输出被测焦点反射的反射光，所述反射光传输至所述色散傅里叶变换模块，所述探测焦点位于光纤环形器第二端口所连接的光纤末端；

位移平台，用于驱动被测物体在与所述光轴垂直的横向平面内移动，以实现对所述被测物体的三维扫描；

以及色散傅里叶变换模块，用于将反射光的光谱信息转换为时域脉冲波形。

2.根据权利要求1所述的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，其特征在于，所述色度色散透镜元件设置为菲涅尔波带片，四相级衍射透镜，八相级衍射透镜，色散透镜，或超表面透镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，其特征在于，所述色散傅里叶变换模块包括具有群速度色散的传输介质，所述传输介质设置为单模光纤，色散补偿光纤，少模光波导，或啁啾布拉格光纤光栅。

4.根据权利要求1所述的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，其特征在于，还包括时间透镜模块和光电探测器；

所述时间透镜模块连接所述色散傅里叶变换模块的输出端，用于将转换后的时域脉冲波形进行拉伸放大；

所述光电探测器用于将拉伸放大后的光信号转换为电信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统，其特征在于，还包括示波器，所述示波器连接所述光电探测器的输出端，用于采集并显示所述电信号的时域波形。

6.一种基于权利要求1-5任一所述基于超短脉冲激光与色度共焦的三维成像系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、由超短脉冲激光器产生具有宽频谱特性的超短脉冲激光；

S200、通过色度色散透镜元件将所述超短脉冲激光的不同波长成分聚焦至其光轴方向上的不同纵向位置，形成纵向焦斑；

S300、通过位移平台带动被测物体在横向平面内移动，同时，通过共聚焦显微光路结构收集反射光；

S400、利用色散傅里叶变换模块将反射光的光谱信息转换为时域脉冲波形，并基于所述时域脉冲波形重建被测物体的三维形貌图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述纵向焦斑沿着Z轴分布，所述位移平台带动被测物体在X-Y平面内移动，使得被测物体上的待测点依次穿过纵向焦斑区域，实现横向空间采样。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S400中，所述三维形貌图像的重建过程包括：

对所述时域脉冲波形进行解调，获取不同波长成分的反射率信息；

根据预先标定的波长与纵向深度的映射关系，确定各深度层的反射强度；

结合位移平台的横向位置信息，重构出被测物体表面的三维形貌数据。