[發明專利]高速三維顯微成像系統及方法

在審

• 申請號: 201510726181.0
• 申請日: 2015-10-30
• 公開（公告）號: CN105423943A
• 公開（公告）日: 2016-03-23
• 發明（設計）人: 王衛
• 申請（專利權）人: 南京巨鯊顯示科技有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京市振邦律師事務所 11389
• 代理人: 李朝輝

1.一種高速三維顯微成像系統，其特征在于其包括：寬帶超短脈沖激光源、與寬帶超短脈沖激光源相連的時間域色散模塊、與時間域色散模塊輸出相連的光放大模塊、與光放大模塊輸出相連的空間域色散模塊、與空間域色散模塊輸出相連的空間成像模塊、與空間成像模塊輸出相連的參考臂模塊、與參考臂模塊相連的信號采集模塊、以及與信號采集模塊相連的圖像恢復模塊，其中寬帶超短脈沖激光源輸出具有一定光譜帶寬的時域超短光脈沖，接著空間域色散模塊對該時域超短光脈沖實現空間色散作用，時域色散元器件模塊對時域超短光脈沖實現時間色散作用，參考臂模塊實現圖像的三維信息干涉記錄，信號采集模塊完成對映射有三維圖像信息的采集過程，同時圖像恢復模塊基于算法恢復被記錄的三維圖像信息。

2.根據權利要求1所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：所述寬帶超短脈沖激光源具有一定的光譜寬度，脈沖的重復頻率在MHz至10sMHz量級范圍，變換極限下的脈沖時域寬度為十飛秒至百飛秒量級，空間成像模塊的成像過程中利用的是光源的光譜編碼映射成像方法。

3.根據權利要求2所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：所述寬帶超短脈沖激光源利用光纖放大和鎖模技術原理進行穩定輸出。

4.根據權利要求3所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：所述參考臂模塊通過完成成像光束和參考光束的相干過程，記錄被測對象的三維信息。

5.根據權利要求4所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：所述寬帶超短脈沖激光源中激光器由光纖環腔構成，利用摻雜稀土元素的光纖實現光放大作用，并利用鎖模介質實現時域超短脈沖的輸出。

6.根據權利要求5所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：所述激光器的增益輸出需要使用泵浦光源的注入，并通過調節光纖中光信號的偏振態獲得穩定的光脈沖輸出。

7.根據權利要求6所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：所述寬帶超短脈沖激光源在成像前進行分束，其中一路作為參考光束，不進行任何操作，與成像光束干涉后，兩光束實現了拍頻，拍頻信號中則記錄被測物體的三維信息。

8.根據權利要求7所述的高速三維顯微成像系統，其特征在于：通過對干涉脈沖信號的采集后，進行了信號的時-頻分析處理，通過利用短時傅里葉變換操作，分析信號的實時頻譜，從而解析得到物體的三維圖像信息。

9.一種高速三維顯微成像方法，其特征在于其包括如下步驟：先利用超短脈沖激光源將短脈沖的光譜進行空間色散操作，使得光譜信息映射至空間域，并對目標物體進行光譜編碼成像；同時利用與參考光干涉的操作，使得拍頻光信號記錄了物體的三維信息；然后通過將信號光脈沖進行時間色散操作，使得光譜信息映射至時間域，也就是將成像記錄的信息映射至時域信號，再利用信號采集模塊，采集存儲所測圖像信息，并結合圖像恢復算法，最終恢復得到被測目標三維結構輪廓。

10.一種高速三維顯微成像方法，其特征在于其包括如下步驟：

S1.通過使用一個超短脈沖激光源，實現輸出具有一定時間間隔的脈沖，此處所使用的激光器是基于光纖被動鎖模實現的超短脈沖光，增益光纖使用的是摻鉺光纖；

S2.從脈沖源輸出的脈沖送入至時間域色散模塊，即進入色散補償光纖進行時域色散傳輸；

S3.時域色散的光脈沖經過摻鉺光纖放大器進行光域放大；

S4.放大后的脈沖源在進入空間光鏈路，首先經過的是一個二分之一波片和一個四分之一波片，對任意輸入的線偏振光進行任意角度的旋轉輸出，其后使用的是一個空間光柵，該光柵的作用是對光脈沖實現頻-空映射，并利用一個凸透鏡將發散的光束匯聚于空間目標物上；

S5.照射光脈沖從目標物原路反射回鏈路，并與從參考面反射的第二路光束進行干涉，兩光束由于在不同時延條件下頻移不同，基于不同的頻移信息，可記錄目標物的縱向凹凸位移信息；

S6.合束光脈沖信號從空間光鏈路原路耦合進光纖中，并由一個高速光電探測器實現對光信號的電轉換；

S7.探測的時域脈沖信號通過短時傅里葉變換可計算得到被測目標物的縱向結構分布情況；

S8.時域信號強度標記了被測目標物的橫向結構信息，通過在掃描方向橫向垂直方向的移動成像，得到被測目標的三維結構圖像。