一种基于偏振-时间映射的超快摄影装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于偏振

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振
‑
时间映射的超快摄影装置


[0001]本专利技术涉及超快光学、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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。
[0004]实现本专利技术目的的具体技术方案是：
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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：
[0010]E(m,n)＝HDRTI(x,y,t)+b,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]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：
[0012][0013]其中I
s
是阈值限制常数，||
·
||2表示l2范数，α为正则化参数，Λ(I)表Tikhonov正则化；在图像重构过程中，数据采集系统采集到的二维图像E(m,n)首先被分割成16个相等大小的子图像，然后使用图像特征识别和匹配(image features recognition and matching,IFRM)算法来校准每一帧中的光学畸变；在迭代优化过程中，采用L型曲线法寻找正则化参数α，具体的迭代步骤如下：
[0014](H
*
H+αΛ)I
(k)
＝H
*
I+αI
(k
‑
1)
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]经过k次迭代优化后，获得迭代优化结果I
(k)
，最后利用强度阈值限制I
s
来获得没有时空混叠的信息，得到原始动态场景
[0016]本专利技术的有益效果是：通过单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振
‑
时间映射的超快摄影装置，其特征在于，该装置包括：主动照明系统(100)，由飞秒激光器(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)依次光路连接构成；数据采集系统(200)，由动态场景(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)依次光路连接构成；其中，所述动态场景(201)与主动照明系统(100)的散射介质(105)光路连接；同步控制系统(300)，由数字延迟信号发生器构成，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)，由计算机构成，与数据采集系统(200)中的高灵敏CMOS相机(211)连接。2.根据权利要求1所述的基于偏振
‑
时间映射的超快摄影装置，其特征在于，所述主动照明系统(100)的飞秒激光器(101)产生的飞秒脉冲激光：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(102)可将飞秒脉冲光啁啾范围覆盖2ps
‑
200ps；所述的散射介质(105)为工程散射体，对脉冲激光进行退相干。3.根据权利要求1所述的基于偏振
‑
时间映射的超快摄影装置，其特征在于，所述数据采集系统(200)的线偏振片(203)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(207)为4
×
4的透镜阵列，用于产生16束子光束，单个子透镜尺寸为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(205)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(209)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(210)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁鹏鹏，齐大龙，姚云华，何一林，姚佳丽，金诚挚，郭姿含，孙真荣，张诗按，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：