[发明专利]一种线积分压缩的超快成像装置

说明书

本发明公开了一种线积分压缩的超快成像装置，由信号采集系统、数据处理系统两部分构成；本发明是一种计算成像领域的装置，基于压缩感知理论将二维空间面阵信息压缩为一维线阵信息，利用线成像模式工作的条纹相机对随时间变化的线积分信号进行偏转记录，再采用相应的算法从采集到的二维压缩信息中恢复原始三维动态信息，本发明相较于传统“所见即所得”的面成像装置，具有时间分辨率高，数据压缩比高，空间序列深度大的特点，可广泛应用于各种超快现象的观测与诊断。

技术领域

本发明涉及计算成像技术领域，尤其是一种线积分压缩的超快成像装置，可用于超快物体三维时空信息的实时动态观测。

背景技术

时间分辨超快成像技术应用十分广泛，包括精密工业加工、超快光谱学、强场物理学及军事应用等领域。现有的超快成像技术方案主要有顺序定时全光学映射成像(STAMP)，频域层析成像(FDT)，多次曝光频率识别成像(FRAME)，超快全光学固态分幅相机(UASFC)，基于时空划分的路由成像(STDR)、时空频复用成像(TSFM)和时空压缩超快成像(CUP)。这些成像方案各有优缺点；STEAM和FRAME都是主动成像技术，因此它们无法测量自发光的超快过程，而FDT、UASFC、STDR和TSFM都依赖于分束器的数量，因此需要较高光通量，单次拍摄的总帧数量同样受到限制，CUP以时间复用的模式工作，对原始数据同时进行了时间和空间上的压缩，前后帧耦合性强，对数据的采集要求高，数据恢复也更加困难。

线积分压缩的超快成像(Line-CUP)的核心是：由两块焦距不同的柱透镜相互垂直放置组成的柱透镜对将经过强度随机编码的动态场景在横向和纵向进行不同放大倍率的成像，当纵向成像大小小于狭缝宽度时，相对于条纹相机即为线成像，依据待测物体和条纹相机的狭缝大小其焦距可灵活调整，从而对二维编码光信息进行一维线性压缩，并使用条纹相机对线积分图像进行采集，最后利用结合传统迭代优化算法和深度学习去噪器的混合算法进行计算恢复，得到原始动态场景。与CUP相比，Line-CUP以空间复用的模式工作，仅对原始数据进行空间压缩，各时间帧相互独立，使得数据采集和处理更加便捷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种线积分压缩的超快成像装置，通过结合线积分成像、压缩感知原理与条纹成像技术，将三维动态信息记录在二维压缩数据中，有效提升了时间分辨率和帧序列深度，同时使用相位型空间光调制器配合偏振分束立方体代替数字微镜器件实现强度随机编码，极大降低了衍射能量损失和像差，提升数据采集的质量，更加适合于弱光探测。本发明与现有超快成像方法相比，单次测量序列深度超过1000帧，时间分辨率小于1ps，能实现以前无法企及的目标。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种线积分压缩的超快成像装置，特点是它包括信号采集系统与数据处理系统；

所述信号采集系统由目标靶、第一凸透镜、偏振分束立方体、第二凸透镜、外置积分相机、第三凸透镜、相位型空间光调制器、第四凸透镜、第二柱透镜与条纹相机构成，所述目标靶、第一凸透镜、偏振分束立方体依次光路连接，所述偏振分束立方体、第二凸透镜、外置积分相机依次光路连接，所述偏振分束立方体、第三凸透镜、相位型空间光调制器依次光路连接，所述偏振分束立方体、第四凸透镜、柱透镜对与条纹相机依次光路连接；

所述数据处理系统由计算机构成，所述计算机搭载英伟达公司生产的高性能计算显卡和CUDA通用并行计算架构；

所述数据处理系统的计算机分别与信号采集系统的外置积分相机、相位型空间光调制器及条纹相机电连接。

所述信号采集系统对原始数据依次进行编码、压缩和偏转，将三维动态信息I(x,y,t)压缩为二维E(m,n)，其过程可表示为：

E(m,n)＝SLC I(x,y,t),     (1)

其中C表示空间编码算符，L表示线性压缩算符，S表示时空偏转算符。为了表述方便，可以将式(1)表示为：