[发明专利]一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统

说明书

本发明公开了一种基于非等间隔采样的光学时域延展成像系统，该系统主要包括色散傅里叶变换部分、空间频谱编码部分、空间光束传输系统、探测与采集系统。利用群速度色散系数较大的色散光纤对入射光脉冲进行时域拉伸，即色散傅里叶变换，实现频谱与脉冲时间信息的转换；使用色散元件将目标物的空间信息编码于宽带照明光场的不同波长上；接下来，利用空间光学传输系统控制光束的分布，实现空间信息的非等间隔采样，目标物信息丰富的部分采样光束密集，目标物信息少的部分采样光束稀疏；最后，被收集的光场由单像素光电探测器探测和高速示波器采集。本发明对于捕获瞬时现象、观测目标的重点部分、有效缩减数据量具有重要意义。

技术领域

本发明属于光学成像领域，涉及到光学时域延展成像技术，适用于瞬时现象的超高速观测领域，具体为一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统。

背景技术

超高速实时成像是观测和研究瞬态物理现象、化学反应等不可或缺的工具，CMOS和CCD作为常用的成像工具，成像速率(小于1kHz)远远不能满足高速实时成像的需求。光学时域延展成像技术利用大色散系数的介质对入射光场进行色散傅里叶变换(DispersiveFourier transformation,DFT)和时域延展，将光场的光谱信息映射至时域，同时通过空间频谱编码获取目标物的信息，接下来利用高速光电二极管和宽带示波器采样并形成图像。光学时域延展成像技术是一种先进的超高速成像技术，成像速率等同于激光脉冲的重复频率。

但是，超高速成像产生的大量数据对于采集和存储提出了巨大的挑战，昂贵的采集和存储设备都极大的提高了实验成本，很大程度上限制了光学时域延展成像系统的工程化和实用化。

鉴于光学时域延展技术在高速实时测量领域的重要意义，需要研究一种可以突破高速成像数据采集和传输瓶颈的系统，对于整个装置的空间光束进行优化分布，目标物信息丰富的部分空间采样率高，图像分辨率高；目标物信息少的部分空间采样率低，图像分辨率低，节省数据采集和传输量。

发明内容

针对现有技术中成像时产生的大量数据的采集和存储带来了巨大的挑战的问题，本发明的目的在于提供一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，以有效减小图像数据量、且保持图像质量。

为实现本发明的目的，本发明提供的一种非等间隔空间采样的光学时域延展成像系统，包括：

包括色散傅里叶变换部分、空间频谱编码部分、空间光束传输系统、探测和数据采集系统，

所述色散傅里叶变换部分，利用具有群速度色散系数较大的色散光纤对于入射的光脉冲进行时域拉伸，实现光场频率与时间的一对一映射；

所述空间频谱编码部分，使用色散元件将宽光谱的照明光场色散至被测目标的不同空间位置，光场的频谱携带目标的空间信息，可实现波长与空间信息的一对一映射；

所述空间光束传输系统，通过光学元件的布局和特殊面形设计，调整光场在整个空间的分布状况，实现被测对象的非等间隔空间采样，目标物关键部分采取高采样，目标物非关键部分采取低采样；

所述探测和数据采集部分，实现光场经过超快光电二极管探测并由高速模拟示波器采集后经过计算机处理，获取超高速的图像序列。

使用时，激光器产生的脉冲光经过色散光纤补偿后，历经色散傅里叶变换过程，实现波长与脉冲时间序列的一对一映射。携带时间信息的光束经过衍射光栅分光后，经过空间光学传输系统准直入射至被测目标，不同波长照明光场入射样品的不同空间位置，实现频谱编码成像。利用空间系统中透镜组的光束控制，实现光束的空间特定分布即非等间隔采样。目标物信息丰富部分光束密集，空间采样率高；目标物信息少部分光束稀疏，空间采样率低。而后将携带目标物空间信息的光场进行合束，由耦合器进行空间光场的收集。耦合器输出的光场由超快探测和采集系统进行后续的处理和图像重建。