超快光场断层摄影制造技术

提供了用于超快光场断层摄影(LIFT)的系统和方法，LIFT是一种瞬态成像策略，其提供超过1000的时间序列并且使得能够进行高效的光场获取，从而允许对完整的二维、三维或四维空间和时间的快照获取。该设备利用柱面透镜将物空间中的目标变换成图像平面中的平行线。束投影可选地通过道威棱镜和柱面小透镜阵列引导至成像装置，诸如SPAD相机、超快扫描相机和CCD相机。通过使用以不同角度定向的柱面小透镜的阵列，同时获得足够的投影以用单次快照恢复图像。时间分辨系统和方法适用于LIDAR、高光谱、非视线和三维瞬态成像。非视线和三维瞬态成像。非视线和三维瞬态成像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超快光场断层摄影
[0001]【相关申请的交叉引用】
[0002]本申请要求2020年4月23日提交的美国临时专利申请编号63/014,312的优先权和权益，此处以引证的方式将该申请全文并入。
[0003]【关于政府赞助的研究或开发的声明】
[0004]本专利技术是在美国国立卫生研究院授予的资金号GM128761和美国国家科学基金会授予的资金号1652150的政府支持下进行的。政府在本专利技术中具有特定权利。
[0005]【受版权保护的材料注意事项】
[0006]根据美国和其他国家的版权法，本专利文献中的部分材料受版权保护。版权所有人不反对任何人传真复制专利文献或专利公开，就如在美国专利商标局公开可用的文件或记录中出现的那样，但无论怎样都在其他方面保留所有版权。因此，版权所有人不放弃其任何使该专利文献保持保密的权利，包括但不限于其依据37C.F.R.
§
1.14的权利。


[0007]本技术总体涉及高速成像系统和方法，更具体地涉及光场断层摄影(LIFT)：一种在记录光场方面高效并且使得能够进行大规模2D时间分辨数据的快照获取以及3D和4D成像的成像方法。

技术介绍

[0008]时间分辨成像在包括生物学、化学和物理学的一系列科学学科中起着关键作用。尽管成像在这些应用中是重要的，但是具有皮秒分辨率的大规模2D时间分辨数据的快速获取仍然是长期存在的要解决的挑战。当前成像装置的成像速度通常受技术局限的限制，并且在许多超快应用中不可能直接检测。
[0009]迄今为止，超快扫描相机(streak cameras)和增强型电荷耦合器件(ICCD)传感器是用于测量超快动态的选择的并行检测器。尽管这种传感器被广泛使用，但是必须在空间域(对于超快扫描相机)或时间维度(对于ICCD)中执行广泛扫描以获得2D时间分辨数据，并且这是固有地耗时的过程。
[0010]单光子雪崩二极管(SPAD)是一种新兴的超快检测器，其具有优越的灵敏度，能够实现数十皮秒的时间分辨率，并且具有制造为大幅面二维阵列的潜力。然而，获得灰度级时间分辨数据仍然需要利用时间相关单光子计数器(TCSPC)进行时间扫描或重复照明，这导致在给定当前制造技术的情况下2D SPAD传感器的较差填充因子。对扫描的需要也不期望地将这些相机的适用范围限制为严格可重复的事件。
[0011]过去十年也已经见证了能够利用单次快照进行2D时间分辨成像的若干不同超快相机的发展。然而，即使考虑主动方法，这些方法中也没有一个获得(超过1000的)深序列和皮秒时间分辨率的挑战性组合。例如，使用专用照明，顺序定时全光映射摄影(STAMP)可以实现200fs的时间分辨率，但是仅可获得相当有限的序列深度(＜50)。在另一个极端，串行时间编码放大成像(STEAM)可以连续地流式传输2D图像，同时其时间分辨率被限制为几纳
秒。
[0012]压缩超快摄影(CUP)已经是唯一的被动相机，其在单次快照中提供超过100*100*100的三维数据立方体(x,y,t)并且达到亚皮秒分辨率。不幸的是，对于较大尺度测量进一步缩放它是具有挑战性的，除了其在空间分辨率与序列深度之间的固有折衷之外，CUP相机的大压缩因子和时空串扰直接限制了瞬态成像中可实现的时空分辨率。
[0013]然而，现有的超快相机对于非视线成像不足，这需要提供长序列的时间分辨数据的高分辨率、二维超快相机。因此，当前的非视线(non
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line
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of
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sight)实施方案需要在空间和/或时间维度上执行扫描，这将获取时间延长到秒或更长的水平，从而即使在图像分辨率受损时也限制了对静态或缓慢移动的物进行成像的方法。
[0014]缺乏用于大规模2D时间分辨数据的单次拍照获取的通用工具以及不能应对扩展的3D场景不仅限制了在直视中的瞬态现象的可视化，而且损害了在遮挡周围观看或非视线(NLOS)成像的能力。尽管透过直视观察在如导航、监视、甚至医学成像的领域中找到了广泛的应用，但是当前NLOS成像器在实现视频速率成像方面仍然远远落后于它们的视线配对件，尽管最近的工作已经打开了将视线成像方法系统地传递到NLOS领域的途径。计算密集型重建通过更快的反演算法和并行计算仍不能克服的主要瓶颈是对大规模时间分辨数据的缓慢获取。尽管边缘分辨瞬态成像(edge
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resolved transient imaging,ERTI)对NLOS成像使用少得多的扫描，但它仅产生2.5D(而不是完整的3D)重建，并且其差分测量仍然导致在各个扫描位置处的长曝光时间(＞10s)。更快的扫描也可以以若干其他方式实现，包括缩短传感器曝光时间、降低空间扫描密度或使获取并行化。然而，扫描机制的缺陷仍然存在，并且来自较短曝光的所得较小光子计数通常需要通过使用较高激光功率和/或回射目标来补偿。不能应对扩展的3D场景也妨碍了可现场部署的NLOS成像，其需要适应非平面的或者甚至断开的表面。这些障碍使得NLOS成像可论证地成为超快相机的最具挑战性的应用之一。

技术实现思路

[0015]提供了用于超快光场断层摄影(LIFT)的系统和方法，其解决了常规非视线成像中的缺陷并且实现了许多重要的适应性。现有的超快相机不能应对扩展的三维场景，并且对于需要长序列的时间分辨二维数据的非视线成像不足。因此，当前非视线成像器需要在空间和/或时间维度上执行广泛扫描，这将其使用限制于仅对静态或缓慢移动的物进行成像。
[0016]本技术利用被称为超快光场断层摄影的瞬态成像策略来解决这些长期存在的挑战。光场断层摄影提供了在记录光场方面非常高效并且使得能够对大规模2D时间分辨数据进行快照获取的装置和成像方法。这是通过将一维1D传感器变换为2D光场相机来实现的，利用了常规光场获取是高度冗余的事实，因为除了视差提示之外子孔径图像大部分是相同的。1D传感器的快得多的帧速率也有利于高速成像的LIFT。虽然现有技术的超快相机在阻止光场获取的像素分辨率方面受到严重限制，但是LIFT提供了一种打破这种限制的方式。与超快扫描相机相结合，LIFT可以在单次快照中捕获完整的四维时空空间，并且可以提供超过120*120的具有超过1000的序列深度的图像分辨率，从而实现空前的超快成像能力，包括使用低功率激光的视频速率NLOS成像。
[0017]所例示的LIFT方法提供超过1000的时间序列，并且实现高效的光场获取，从而允
许完整的四维空间和时间的快照获取。利用LIFT过程，已经演示了具有＜10皮秒的分辨率的飞光现象中的三维成像和以30Hz视频速率进行的非视线成像。此外，LIFT处理可以受益于用于改进和加速的图像形成的深度学习技术。LIFT还可以便于在各种学科中广泛采用时间分辨方法。
[0018]典型的LIFT系统提供超快扫描相机或其它用于测量光脉冲中的光强度随时间的变化的仪器、以及柱面透镜、道威棱镜阵列、柱面小透镜阵列、可选的狭缝阵列以及成像光学器件和成像传感器。柱面小透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光场断层摄影(LIFT)设备，包括：(a)具有不变轴的柱面透镜，所述透镜被配置为在平行于所述柱面透镜的所述不变轴的图像平面中产生物的平行束投影；(b)阵列柱面小透镜，各个小透镜具有以不同角度定向的不变轴；以及(c)成像装置，该成像装置位于所述小透镜阵列之后，所述装置被配置为对来自各个小透镜的所述平行束投影进行成像；(d)其中，所述小透镜以其相对于所述成像装置的不变轴角的序列布置；并且(e)其中，能从来自所述小透镜序列的同时获取的束投影产生所述物的单次快照图像。2.根据权利要求1所述的设备，还包括：道威棱镜，位于所述柱面透镜与所述小透镜的阵列之间。3.根据权利要求1所述的设备，还包括：道威棱镜的阵列，位于所述柱面透镜与所述小透镜的阵列之间，各个道威棱镜与小透镜光学耦合。4.根据权利要求3所述的设备，还包括：狭缝阵列，位于所述小透镜的焦点处的所述柱面小透镜阵列与所述成像装置之间；第一成像透镜；色散元件；以及第二成像透镜；其中，通过所述成像装置测量色散狭缝图像，并产生高光谱图像。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述色散元件选自色散棱镜和衍射光栅的组。6.根据权利要求1所述的设备，还包括：目标照明光源，其中，来自目标的反射光由所述成像装置成像。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述目标照明光源包括准直皮秒激光器，该准直皮秒激光器具有凹透镜和漫射器以产生对所述目标的脉冲激光照明。8.根据权利要求6所述的设备，还包括：道威棱镜的阵列，各个道威棱镜与小透镜光学耦合。9.根据权利要求1所述的设备，所述成像装置还包括：光电阴极，具有入口狭缝和光学耦合到所述小透镜阵列的透镜；以及电子图像传感器，从电荷耦合器件CCD和CMOS传感器的组中选择。10.根据权利要求1所述的设备，所述成像装置还包括：超快扫描相机，具有入口狭缝和光学耦合到所述小透镜阵列的透镜；以及电荷耦合器件CCD相机。11.根据权利要求1所述的设备，还包括：(a)处理器，配置为控制所述透镜和所述成像装置；以及(b)非暂时性存储器，存储可由所述处理器执行的指令；(c)其中，所述指令在由所述处理器执行时执行以下步骤：(i)随着时间从所述成像装置获取图像数据的数据集；以及(ii)从所获取的数据集重建2D、3D或4D图像。12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述指令在由所述处理器执行时还执行以下步
骤：将训练过的深度伴随神经网络DANN应用于重建，以加速重建并提高图像质量；以及在显示器上显示所重建的图像。13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述指令在由所述处理器执行时还执行以下步骤：控制景深；以及形成时间积分的3D图像。14.根据权利要求11所述的设备，还包括：目标照明光源，其中，来自所述目标的反射光由所述成像装置成像。15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述指令在由所述处理器执行时还执行以下步骤：控制所述目标照明光源；以及控制图像数据获取的速率。16.一种光场断层摄影成像方法，包括：(a)提供光场断层摄影设...

【专利技术属性】
技术研发人员：高亮，封晓华，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：