基于差分的超快线性扫描边缘检测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种采用差分的超快线性扫描边缘检测系统及方法，飞秒激光器产生的连续超短光脉冲由光环行器一端出口输出，依次经过准直器、波片组、扩束透镜组、衍射光栅、聚焦透镜组、第一物镜聚焦在待检测检样品上；经过反射性质的待检测样品的反射光束沿原路径返回，并从光环行器的另一个端口输出后，经过色散补偿光纤、掺铒光纤放大器、耦合器分成两路，一路通过可调光延迟线，另一路经过衰减器，由平衡光电探测器将两路光信号相减，并转化为一路电信号输出，通过数字处理器进行信号处理，最终还原出待检测物体的边缘信息。本发明专利技术可以以超高速成像速率记录图像信息，在成像过程中可以完成边缘检测，大大提高了边缘检测的效率。

【技术实现步骤摘要】
基于差分的超快线性扫描边缘检测系统及方法
本专利技术涉及一种超快成像系统，尤其是一种采用差分检测和边缘检测的成像系统及方法。
技术介绍
目前在超高速成像领域采用的新型超高速成像技术主要有：全息成像技术、分幅相机技术和计算鬼成像技术。全息成像技术主要利用零相移参考光和π相移分别与携带有目标物信息的光相互干涉产生的两幅全息图来恢复目标物的原始光场。全息成像技术的图像带宽受限、拍摄幅度受限，难以进行高分辨的多幅成像，如专利申请号201210406054.9。分幅相机技术利用多束延时不同的参考光可以将序列脉冲激光的每一个脉冲所包含的图像信息分别显现出来，从而实现分幅成像，但成像分辨率受CCD尺寸限定难以提高，如专利申请号201310296473.6。计算关联成像技术利用了LED阵列作为随机散斑发射源，从而提高了成像帧速，但成像的分辨率也会受限，如专利申请号201710115013.7。超高速成像技术应用广泛，尤其在生物医学领域，包括高通量生物细胞分类、医学病理类型鉴别。在细胞分类及医学病理类型鉴别的过程中，需要对大量的细胞进行检测并分析。传统的流动细胞计数仪和显微镜分析，人工成本高，检测效率低，处理的数据量庞大。利用这项线性扫描频率高达几十兆赫兹的超快成像技术可以解决这一难题。边缘检测技术是数字图像处理中最常见的技术之一，被广泛应用于很多领域，例如目标识别、地貌勘测、安全检测、细胞筛查等。传统的边缘技术需要对目标物体进行拍摄，利用复杂的软件算法从拍摄图像中提取物体的边缘信息，如专利申请号：200880125437.0。无法在成像过程中直接获取边缘信息，导致边缘检测效率低。因此，急需一种系统及方法来解决高速信号边缘信息提取的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：提供一种基于差分的超快线性扫描边缘检测系统及方法，旨在利用超快成像技术提高边缘检测技术的检测效率。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种采用差分的超快线性扫描边缘检测系统，包括飞秒激光器、光环行器、色散补偿光纤、掺铒光纤放大器、耦合器、衰减器、可调光延迟线、平行探测器、数字处理器、准直器、波片组、扩束透镜组、衍射光栅、聚焦透镜组、第一、二物镜、、透镜、反射镜，所述飞秒激光器产生的连续超短光脉冲由光环行器一端出口输出，依次经过准直器、波片组、扩束透镜组、衍射光栅、聚焦透镜组、第一物镜聚焦在待检测检样品上；经过反射性质的待检测样品的反射光束，或经过透过性质的待检测样品经由第二物镜和透镜的光束平行照射到反射镜上的光束，沿原路径返回，并从光环行器的另一个端口输出后，经过色散补偿光纤、掺铒光纤放大器、耦合器分成两路，一路通过可调光延迟线，另一路经过衰减器，由平衡光电探测器将两路光信号相减，并转化为一路电信号输出，通过数字处理器进行信号处理，最终还原出待检测物体的边缘信息。所述衍射光栅采用600线/mm衍射光栅；所述扩束透镜组12由60mm和15mm焦距透镜组成；所述飞秒激光器产生的连续超短光脉冲为180fs脉宽的短脉冲激光光源，可将光斑在空间中色散成2.74μm/nm。一种采用基于差分的超快线性扫描边缘检测系统的检测方法，具体步骤为：步骤一：利用衍射光栅，将飞秒激光器产生的超短激光脉冲在谱域展开，使得不同波长的光映射到待检测样品的不同空间位置，即待检测样品的空间位置信息被编码到光脉冲的光谱中；步骤二：携带待检测样品空间位置信息的光脉冲经过色散补偿光纤在时间上展开，使得光脉冲在谱域中的信息映射到时域中，最后，数字处理器在时域上对信号进行处理还原出待检测样品的空间位置信息；步骤三：经过耦合器分成的两路光信号，利用可调光延迟线7使两路光信号在时间上错开，通过平衡检测器对两路光信号进行差分检测，最后输出一路电信号，即为待检测样品的边缘信息。本专利技术的有益效果是：本专利技术依据超短脉冲重复频率可达到几百兆赫兹的成像速率，无需借助电子快门器件，采用全光路实现对动态物体的超快成像；本专利技术中提出的边缘检测方法无需利用复杂的边缘检测算法从原图中获取边缘信息，采用差分检测方法直接在物理层获取物体的边缘信息；本专利技术采用的差分检测方法实现简单。附图说明图1是本专利技术的实施方案结构示意图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种采用差分的超快线性扫描边缘检测系统，包括飞秒激光器1、光环行器2、色散补偿光纤3、掺铒光纤放大器4、耦合器5、衰减器6、可调光延迟线7、平行探测器8、数学处理器9、准直器10、波片组(λ/2和λ/4位相延迟器)11、扩束透镜组12、衍射光栅13、聚焦透镜组14、第一、二物镜15、17、待检测样品16、透镜18、反射镜19。由飞秒激光器1产生超短激光脉冲，严格控制脉冲的能量，防止能量太大，对成像的结果造成干扰；光经由光环行器2的A口输入，从B口输出进入准直器10；准直器10输出的超短激光脉冲，通过波片组(λ/2和λ/4位相延迟器)11调整光的偏振状态，经过扩束透镜组12放大光斑，目的是为了提高空间分辨率；超短激光脉冲经过扩束透镜组后照射在衍射光栅13的表面上，衍射光栅13将超短激光脉冲中不同波长的光沿着不同的方向发散，不同波长的发散光经过聚焦透镜组14分别聚焦于不同的空间位置上。若待检测样品是反射性质的，光束经过第一物镜15，实现长距离成像，复消色差以及提高成像的分辨率，最终聚焦在待检测样品16的不同空间位置上。由于待检测样品16不同位置上光的反射率存在差异，不同波长的光的强度被分别进行调制；若待检测样品16是透过性质的，光束透过物镜15，结合第二物镜17实现长距离成像，聚焦在待检测样品上的不同空间位置上，不同波长的光强根据待检测样品16不同位置上的透过率不同被分别调制。透过物镜17的光束将经过透镜18变成平行光照射在反射镜19上。由此，待检测样品16的边缘信息被记录在超短激光脉冲的光谱中；携带被检测物体图像信息的光束沿原路径返回，光束通过准直器10由光环行器2的B口输入，从C口输出；从光环行器2中C口输出的光束，超短激光脉冲经由色散补偿光纤3在时域上延展开，实现谱域到时域上的映射；光脉冲经过掺铒光纤放大器4，其光功率将被放大；放大输出的光通过50：50的耦合器5将其分成两路；在其中一路，光脉冲通过可调光延迟线7将脉冲信号延迟后输出，同时光脉冲的能量会相应的减弱；在另一路，光脉冲经过一个衰减器6将光脉冲的能量减弱后输出，以平衡两路光脉冲之间的能量；两个光脉冲信号再经过平衡光电探测器8，将两路光脉冲信号相减同时转化为一路电信号输出，并将相应的电信号通过数字处理器9进行信号处理，最终还原出待检测物体的边缘信息。本专利技术中的光学器件拟采用600线/mm衍射光栅，60mm和15mm焦距的透镜组，80fs脉宽的短脉冲激光光源，可将光斑在空间中色散成2.74μm/nm。本专利技术在常见提供的光学器件中均取最大参数以保证目前的最快速度及分辨率成像。一种采用基于差分的超快线性扫描边缘检测系统的检测方法，具体步骤为：步骤一：利用衍射光栅13，将飞秒激光器1产生的超短激光脉冲在谱域展开，使得不同波长的光映射到待检测样品16的不同空间位置，即待检测样品16的空间位置信息被编码到光脉冲的光谱中；步骤二：携带待检测样品16空间位置信息的光脉冲经过色散补偿光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用差分的超快线性扫描边缘检测系统，包括飞秒激光器(1)、光环行器(2)、色散补偿光纤(3)、掺铒光纤放大器(4)、耦合器(5)、衰减器(6)、可调光延迟线(7)、平行探测器(8)、数字处理器(9)、准直器(10)、波片组(11)、扩束透镜组(12)、衍射光栅(13)、聚焦透镜组(14)、第一、二物镜(15、17)、透镜(18)、反射镜(19)，其特征在于：所述飞秒激光器(1)产生的连续超短光脉冲由光环行器(2)一端出口输出，依次经过准直器(10)、波片组(11)、扩束透镜组(12)、衍射光栅(13)、聚焦透镜组(14)、第一物镜(15)聚焦在待检测检样品(16)上；经过反射性质的待检测样品(16)的反射光束，或经过透过性质的待检测样品(16)经由第二物镜(17)和透镜(18)的光束平行照射到反射镜(19)上的光束，沿原路径返回，并从光环行器(2)的另一个端口输出后，经过色散补偿光纤(3)、掺铒光纤放大器(4)、耦合器(5)分成两路，一路通过可调光延迟线(7)，另一路经过衰减器，由平衡光电探测器将两路光信号相减，并转化为一路电信号输出，通过数字处理器(9)进行信号处理，最终还原出待检测物体的边缘信息。...

【技术特征摘要】
1.一种采用差分的超快线性扫描边缘检测系统，包括飞秒激光器(1)、光环行器(2)、色散补偿光纤(3)、掺铒光纤放大器(4)、耦合器(5)、衰减器(6)、可调光延迟线(7)、平行探测器(8)、数字处理器(9)、准直器(10)、波片组(11)、扩束透镜组(12)、衍射光栅(13)、聚焦透镜组(14)、第一、二物镜(15、17)、透镜(18)、反射镜(19)，其特征在于：所述飞秒激光器(1)产生的连续超短光脉冲由光环行器(2)一端出口输出，依次经过准直器(10)、波片组(11)、扩束透镜组(12)、衍射光栅(13)、聚焦透镜组(14)、第一物镜(15)聚焦在待检测检样品(16)上；经过反射性质的待检测样品(16)的反射光束，或经过透过性质的待检测样品(16)经由第二物镜(17)和透镜(18)的光束平行照射到反射镜(19)上的光束，沿原路径返回，并从光环行器(2)的另一个端口输出后，经过色散补偿光纤(3)、掺铒光纤放大器(4)、耦合器(5)分成两路，一路通过可调光延迟线(7)，另一路经过衰减器，由平衡光电探测器将两路光信号相减，并转化为一路电信号输出，通过数字处理器(9)进行信号处理，最终还原...

【专利技术属性】
技术研发人员：何璐，黄宇，戴博，王旭，张大伟，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31