一种基于偏振-时间映射的超快摄影装置

技术领域

本发明涉及超快光学、图像重构及偏振调制领域，包括数据采集和数据重构两部分，以获得一个包含二维空间，一维时间信息的动态场景，尤其是一种新型的超快摄影装置。由于新型方式成像的特点，可以应用于激光烧蚀，基础物理，生物医学以及信息传输等领域。

背景技术

在科学研究中，单次曝光的超快光学成像技术在超快场景的探测中起着非常重要的作用，特别是在捕捉不可逆或随机的动态场景方面。超快光学成像(UOI)可以捕捉纳秒到飞秒时间尺度的动态场景的时空信息，因此成为近年来的研究热点。在过去的十年里，借助于光场调控或信息复用，实现了单次曝光UOI的跨越式发展。对于需要主动照明单次曝光UOI，它需要一个时间标记的照明光来探测动态场景，利用各种光子标记来映射动态场景的时间信息，包括照明光的波长、角度、空间和空间频率。在波长域中，照明光是一个光谱离散的激光脉冲序列或由相位调制脉冲整形器件获得的调制啁啾激光脉冲，如顺序时间全光映射摄影(STAMP)或啁啾光谱映射超高速摄影(CSMUP)。在角度域中，照明光是通过四波混合法获得的多个延时角度分离的飞秒激光脉冲，如单次傅里叶域断层摄影(SS-FDT)。在空间域中，照明光是通过插入阶梯状的梯形飞秒激光脉冲的多个延时空间分割的飞秒激光脉冲。在空间频率域中，通过在每个子脉冲中引入Ronchi光栅，照明光是一个空间频率分辨的激光脉冲序列，如多次曝光成像的频率识别算法(FRAME)。在上述的单次曝光UOI技术中，动态场景的时间信息被映射为照明光的波长、角度、空间和空间频率维度，但是还没有任何一项技术将时间信息映射到偏振维度，实现对动态场景的单次曝光超快探测。

发明内容

本发明的目的是针对现有的单次曝光超快光学成像技术，而提出的一种基于偏振-时间映射的超快摄影装置，将时间信息转换为偏振维度，实现对动态场景的时空三维超快探测。本发明装置包括主动照明系统，数据采集系统，同步控制系统和数据重构系统。本发明通过数据采集系统获得一张包含16张时空混叠子图的二维图像，再由数据重构系统对采集到图像进行重构。即利用迭代Tikhonov正则化算法对16帧图像进行去卷积，最终获得单一偏振角度，即单一时刻的时序信息。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于偏振-时间映射的超快摄影装置，该装置包括：主动照明系统，由飞秒激光器、脉冲啁啾展宽器件、第一反射镜、第二反射镜、散射介质依次光路连接构成；数据采集系统，由动态场景、显微物镜、线偏振片、第一透镜、光学旋转色散晶体、第二透镜、微透镜阵列、第三透镜、快门、线偏振片阵列、高灵敏CMOS相机依次光路连接构成；其中，所述动态场景与主动照明系统的散射介质光路连接；同步控制系统，由数字延迟信号发生器构成，与主动照明系统中的飞秒激光器及数据采集系统中的快门、高灵敏CMOS相机连接；数据重构系统，由计算机构成，与数据采集系统中的高灵敏CMOS相机连接。

所述主动照明系统的飞秒激光器产生的飞秒脉冲光激光：脉冲持续时间60fs，中心波长780-820nm，光谱带宽为40nm，重复频率为100Hz，单脉冲能量至少3mJ；所述的脉冲啁啾展宽器件可将飞秒脉冲光啁啾范围覆盖2ps-200ps；所述的散射介质为工程散射体，对脉冲激光进行退相干。

所述数据采集系统的线偏振片为高消光比线偏振片，在780-820nm波段内的消光比至少5000∶1，保证透射光束为线偏振光；所述的微透镜阵列为4×4的透镜阵列，用于产生16束子光束，单个子透镜尺寸可为500μm至1mm，子透镜焦距至少为60mm，子透镜间距为20-50μm；所述的光学旋转色散晶体为右旋石英旋光晶体，晶体厚度为140mm，调制780-820nm波段，刚好使40nm的光谱带宽的偏振角度旋转180°，进一步利用光谱与时间映射的关系即可获得偏振与时间的映射关系；所述的快门外触发模式最快开合响应时间为5ms，实现对单个脉冲激光的捕捉；所述的线偏振片阵列为4×4线偏振片阵列，子线偏振片大小为3mm×3mm，子线偏振片间距为300μm，子线偏振片的消光比至少2000∶1，第一个子线偏振片的透振方向与水平偏振方向夹角为11.25°，第二个子线偏振片的透振方向与水平偏振方向夹角为22.5°，以此类推，第十六个子线偏振片的透振方向与水平偏振方向夹角为180°；所述的高灵敏CMOS相机像素尺寸为2048×2048，单个像素大小为6.5μm。

所述的同步控制系统具备四通道单独信号延迟调节，能够实现对数据采集系统中的快门与高灵敏CMOS相机外触发延迟调节，实现单个脉冲光的捕捉。

所述的数据重构系统主要由计算机构成。由计算机执行迭代Tikhonov正则化算法，具体包括：设数据采集过程为：

E(m,n)＝HDRTI(x,y,t)+b, (1)

用E(m,n)表示高灵敏CMOS相机上像素m,n处测量的光强，I(x,y,t)是原始动态场景，b是噪声；其中T是由时间-偏振映射关系决定的时间编码算子，R是由微透镜阵列产生的场景复制算子，D是由于微透镜阵列中16个子透镜之间空间位置的差异而产生的光学畸变算子，H是由于线偏振片阵列的偏振分辨带宽而产生的循环卷积算子；为了恢复出原始动态场景，需要解决公式(1)的逆问题；即使用迭代Tikhonov正则化来解决这个问题，通过优化以下目标函数，表示为：

其中I

(H

经过k次迭代优化后，获得迭代优化结果I

本发明的有益效果是：通过单次曝光的方式，同时获取动态场景的(x,y,t)信息，时间分辨率为850fs，空间分辨率为17.5μm(在700μm×700μm视场下)，成像帧数为16。本发明利用以光学旋转色散晶体产生的旋转偏振激光脉冲作为动态场景的照明光，采用偏振滤波方法和迭代Tikhonov去卷积重建算法，获得原始动态场景信息，可以拍摄超快瞬态场景或不可逆事件。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为实施例1拍摄烧蚀场景的实验系统图；

图3为实施例1所用照明光的时间-偏振对应关系图；

图4为从实施例1重构恢复的时空三维结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细描述。

参阅图1，本发明包括：主动照明系统100、数据采集系统200、同步控制系统300和数据重构系统400。

所述主动照明系统100的飞秒激光器101、脉冲啁啾展宽器件102、第一反射镜103、第二反射镜104、散射介质105依次光路连接；数据采集系统200的动态场景201、显微物镜202、线偏振片203、第一透镜204、光学旋转色散晶体205、第二透镜206、微透镜阵列207、第三透镜208、快门209、线偏振片阵列210、高灵敏CMOS相机211依次光路连接；主动照明系统100的散射介质105与数据采集系统200的动态场景201光路连接；同步控制系统300与主动照明系统100中的飞秒激光器101及数据采集系统200中的快门209、高灵敏CMOS相机211连接；数据重构系统400与数据采集系统200中的高灵敏CMOS相机211连接。

所述的同步控制系统300由数字延迟信号发生器构成，可以实现四通道单独信号延迟调节。可以实现对数据采集系统200中的快门209与高灵敏CMOS相机211外触发延迟调节，实现单个脉冲光的捕捉。

所述的数据重构系统400主要由计算机构成。重构采用迭代Tikhonov正则化算法，对采集的数据进行重构，最终还原出原始动态场景。

本发明包括：主动照明系统100、数据采集系统200、同步控制系统300和数据重构系统400。本发明由主动照明系统产生啁啾散射激光，经由数据采集系统对动态场景进行数据采集。在数据采集过程中，高灵敏CMOS相机会采集一张包含16个子图的二维图像，然后数据重构系统会对采集到的二维图像进行重构，即利用迭代Tikhonov正则化算法对16帧子图像进行处理，最终恢复出动态场景的三维时空(x,y,t)信息。

本发明是这样工作的：

参阅图1，本发明由主动照明系统100的飞秒激光器101产生飞秒脉冲激光，经过脉冲啁啾展宽器件102对飞秒脉冲激光啁啾展宽，依次经过第一反射镜103、第二反射镜104、散射介质105产生照明散射光照射在数据采集系统200的动态场景201上。显微物镜202收集透射过动态场景的照明散射光，之后经过线偏振片203，使得透射光为完全线偏振光。之后依次经过第一透镜204、光学旋转色散晶体205、第二透镜206，其中光学旋转色散晶体205会对透射的激光进行偏振旋转，使得不同波长对应于不同的偏振角度。被偏振调制的散射光会继续经过微透镜阵列207、第三透镜208、快门209、线偏振片阵列210、高灵敏CMOS相机211，其中经过微透镜阵列207的光会被分成16束子光束，这16束子光束与线偏振片阵列210中的16个线偏振片空间位置一一对应，实现对子光束的单独偏振滤波，其中快门209用于捕捉单个脉冲光，最终高灵敏CMOS相机211采集到一张包含16个子图的二维图片。在数据采集过程中，同步控制系统300的数字脉冲延时发生器会调节数据采集系统200中的快门209、CMOS相机211的工作延迟，保证相机对动态场景的单次曝光捕捉。数据重构系统400会对高灵敏CMOS相机211采集到图像进行重构，即利用迭代Tikhonov正则化算法对16帧子图像进行处理，最终恢复出动态场景的三维时空(x,y,t)信息。

实施例

参阅图1，本实施例所用的飞秒激光器101产生的脉冲激光为飞秒脉冲激光，单脉冲持续时间为50fs，重复频率为100Hz，谱宽为40nm，中心波长为800nm，单脉冲能量为3mJ。

主动照明系统100的脉冲啁啾展宽器件102可以实现对飞秒脉冲展宽范围覆盖2-200ps。

数据采集系统200的光学旋转色散晶体205是附件福晶科技股份有限公司生产的右旋石英旋光晶体，晶体厚度为140mm，调制780-820nm波段，刚好使40nm的光谱带宽的偏振角度旋转180度，单个波长都对应不同的线偏振角度，即780nm对应0°偏振角度，781nm对应4.5°偏振角度，以此类推，820nm对应180°偏振角度，其中0°偏振对应水平偏振方向，90°对应竖直偏振方向，进一步利用波长与时间的对应关系，就可以获得偏振角度与时间的对应关系。

数据采集系统200的微透镜阵列207为海纳光学公司生产的4×4的透镜阵列，单个子透镜尺寸为1mm，子透镜焦距为60mm，子透镜间距为50μm。

数据采集系统200的线偏振片阵列210为同一个线偏振片利用激光沿着不同方向切割得到，每个子线偏振片的消光比为2000：1，子线偏振片的透振方向与水平偏振方向夹角依次相差11.25°。

数据采集系统200的快门209为美国Newport公司生产，最快开合响应时间为5ms。

数据采集系统200的高灵敏CMOS相机为安道尔Andor公司生产的Sona4.2B系列相机，具备高灵敏度特性及外触发工作模式。

同步控制系统300所用数字脉冲延时发生器302为斯坦福研究系统StanfordResearch SystemsDG645，具备四通道单独延时调节功能，最高1ps的时间延时调节精度。

数据重构系统400的计算机利用迭代Tikhonov正则化算法对16帧子图像进行处理，最终恢复出动态场景的三维时空信息。

参阅图2，利用平凸透镜1对泵浦飞秒激光进行聚焦掠射氧化铟锡薄膜2表面产生烧蚀动态场景，利用本发明装置3捕捉烧蚀动态场景。所用的泵浦飞秒激光为400nm中心波长，单脉冲持续时间为50fs，重复频率为100Hz。氧化铟锡薄膜厚度为170nm，基底为1mm厚度的熔融石英玻璃。

主动照明系统100工作，首先飞秒激光器101产生飞秒脉冲激光，依次经过脉冲啁啾展宽器件102、第一反射镜103、第二反射镜104、工散射介质105，产生啁啾照明散射激光。

数据采集系统200工作，主动照明系统100产生的照明散射激光照射在由泵浦激光聚焦在薄膜表面产生的动态场景上，携带动态场景的照明散射激光被显微物镜202收集，依次经过第一透镜204、光学旋转色散晶体205、第二透镜206、微透镜阵列207、第三透镜208、快门209、线偏振片阵列210、高灵敏CMOS相机211。

同步控制系统300工作，同步控制系统300的数字延迟信号发生器控制快门209、高灵敏CMOS相机211工作延迟，同步捕获动态场景。

数据重构系统400工作，数据重构系统400的计算机对数据采集系统200工作中高灵敏CMOS相机211集到图像进行重构，即利用迭代Tikhonov正则化算法对16帧子图像进行处理，最终恢复出动态场景的三维时空(x,y,t)信息。设数据采集过程为：

E(m,n)＝HDRTI(x,y,t)+b, (1)

用E(m,n)表示高灵敏CMOS相机上像素m,n处测量的光能，I(x,y,t)是原始动态场景，b是噪声。其中T是由时间-偏振映射关系决定的时间编码算子，R是由微透镜阵列产生的场景复制算子，D是由于微透镜阵列中16个子透镜之间空间位置的差异而产生的光学畸变算子，H是由于线偏振片阵列的偏振分辨带宽而产生的循环卷积算子。为了恢复出原始动态场景，需要解决公式(1)的逆问题。即使用迭代Tikhonov正则化来解决这个问题，通过优化以下目标函数，可以表示为：

其中I

(H

经过k次迭代优化后，获得迭代优化结果I

参阅图3，为实施例1中的照明散射激光的时间-偏振映射关系图，横坐标为偏振角度，纵坐标为时间，单位是ps，通过时间-偏振映射关系，可以确定每个子图所对应的时刻。

参阅图4，本发明装置拍摄的氧化铟锡薄膜烧蚀动态场景并由迭代Tikhonov正则化算法恢复出的16帧图像，每个子图代表单个时刻，时间间隔为12.5ps。泵浦飞秒激光的功率密度约为0.229J/cm

总体而言，本发明公开了一种基于偏振-时间映射的超快摄影装置，基于偏振-时间映射的关系捕获动态场景，属于单次拍摄摄影装置，可以实现对超快动态场景的时空三维(x,y,t)信息的观测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。