[发明专利]一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法

说明书

技术领域

本发明属于高速成像和激光干涉技术领域，具体涉及超高速同轴分幅相干成像领域。

背景技术

目前的超高速成像技术可以分成以下三种：

第一种：分幅相机技术，主要包括光电分幅相机和变像管分幅相机技术。分幅相机技术利用高速快门分幅（电压选通分幅、电子束扫描分幅和取样扫描分幅）获得序列图像。目前光电分幅相机曝光时间最短约5 ns，难以实现超高速成像。变像管分幅相机曝光时间最短可达到约35 ps，成像频率约6??10⁸～5??10⁹ fps，但是图像在经过微通道板、像增强器或光阴极的光电转换又重新生成图像的过程中，空间分辨率明显降低，不能满足高时空分辨诊断要求。

第二种：空间角度分幅技术，采用脉冲激光作为照明光源，利用分光系统以不同的角度和延迟时间背光照射待测物体，经过成像系统在空间不同位置形成多幅分时图像。采用角度分幅技术，无需任何电子或机械快门，是全光的分幅摄影技术，其曝光时间由激光脉冲宽度决定，可以达到飞秒量级，幅频由光束延迟时间决定。图像直接由底片或CCD记录，具有很好的空间分辨能力。这种方法也是目前高时空分辨诊断领域广泛应用的方法，大量应用于等离子体诊断领域。但空间角度分幅技术也有明显的局限，首先，由于不是同轴测量，每束激光穿越待测物体的角度不同，必然引入测量偏差，并且幅数越多，前后图像之间的分离角越大，偏差越大；其次，由于激光在等离子体、稠密气体等透明介质中会发生偏折，使得相邻的激光束发生重叠，从而导致图像重叠，在靶室观察窗的口径受限时，空间角度分幅的局限更为明显；再者，角度分幅技术不能应用于目标物体是漫反射面的情况，这是因为所有光束漫反射后都分布在整个空间，无法分开。

第三种：全息超高速成像技术。这是利用全息记录的参考光、物光和记录介质的共同作用来实现多幅超高速成像。为实现同轴分幅成像——探测光为同轴序列脉冲激光，第一个探测激光脉冲与第一个参考激光脉冲干涉形成第一幅全息图像并由干板记录；经过一段时延后第二个探测脉冲与第二个参考脉冲干涉形成第二幅全息图像并由同一块干板记录，依次类推，可实现小于皮秒的多幅同轴成像；最后通过后期全息再现读出每一幅图像。这里实现分幅技术的关键是通过对参考光编码，一般是对入射角度编码，不同时刻的参考脉冲入射到干板的角度是不同的，因此全息再现时改变参考光的入射角就能得到不同时刻的分幅干涉图像。全息分幅技术比较复杂，有干板显影和全息再现的中间过程，实验效率低。最主要的是，全息分幅技术将多幅图像叠加在一张干板上，每幅图像本质上是通过全息光栅的空间频率不同而分离的，如采用角度编码方式时，空间频率由参考光与入射光的夹角决定，两个相邻空间频率的间隔决定了每幅图像的空间频率范围，也就是说每幅全息图像的空间带宽是受限的，并且幅数越多，空间带宽越小，其它编码方式也存在同样问题。目前也有采用CCD做为多幅全息记录介质的数字全息术，但是CCD的空间带宽积远小于全息干板，以致每幅图像只有很小的空间带宽范围，大大限制了被摄物体的形状、尺度、细节特征等图像信息的分辨，应用十分受限。此外，全息分幅技术不适合用超短脉冲激光（飞秒激光）做光源，这是因为物光和参考光的干涉不能产生足够数量的全息光栅（干涉条纹），从而不能进行高分辨大视场的多幅成像。

综上所述，光电分幅技术仅能达到纳秒级时间分辨，变像管分幅技术最快也只能达到几十皮秒时间分辨，而且其空间分辨能力明显不足；空间角度分幅技术实现起来最容易但不是同轴成像；全息超高速成像技术的图像带宽受限、拍摄幅数受限，难以进一步提高时间分辨能力。因此本专利发明了一种新的超高速同轴分幅成像技术，以弥补上述技术的不足。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供的一种超高速同轴分幅相干成像光路采用了全新的分幅成像方法。该方法具备以下特点：一是全光分幅成像，图像分辨率高；二是同轴分幅成像，利用相干门实现多幅同轴图像的空间分离；三是可以获得极短的曝光时间和极高的幅频；四是每幅图像都具有和单幅成像相同的空间带宽，不存在幅数越多，带宽越小和牺牲空间分辨的问题；五是图像具有一定程度的增益（相干增强），因此可以采用较弱的照明激光。

本发明采用如下技术方案：一种超高速同轴分幅相干成像光路的成像方法，所述成像光路包括照明光、参考光、成像物镜和相干门光路，所述照明光为一串同轴序列脉冲激光，用于照明被摄物体，所述参考光为多束空间分离的脉冲激光，所述的成像方法为：

步骤一：从被摄物体透射或反射的照明光被分光镜分束后和参考光一起被传输至相干门光路；