[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

技術領域

本發明涉及一種高速三維顯微成像系統及方法。

背景技術

隨著信息技術的發展，當今社會的信息量以爆炸式的規模在膨脹，即人們所說的大數據時代已經來臨，而在如此大量的信息集合中，如何獲取其中的有效信息成分，這是一個嚴峻的課題。對于海量信息的篩選，其篩選工具需要滿足如下三個基本點：高速率、高靈敏度、高分辨度。在現代醫學的研究中，人體血液中存在著極少數的循環流動腫瘤細胞，而單個此類細胞極有可能觸發癌癥，由于人體血液中的血紅細胞數量極大，在1mL血液中大約有50億個細胞，而可能存在的循環流動腫瘤細胞僅1-2個，利用現有的CCD/CMOS成像技術，檢測速率為每秒約1000個細胞，檢測完1mL血液細胞需要約2個月的時間，這是不可取的。在工業生產中，對于產品尺寸測量和分類、條形碼、光學字符識別、非接觸尺寸測量和光譜學等眾多領域的檢測，都需要實時連續線掃描成像技術。目前，對于被測目標的外觀結構成像檢測分析，受到傳統的成像傳感技術的限制，其檢測速率一般在KHz量級范疇。

對于傳統的CCD/CMOS成像技術，由于受到理論和技術的限制，其成像速率一般可實現在百KHz量級及以下，目前報道的最高幀率的CMOS成像傳感器可達1MHz。CCD/CMOS成像速率受限的主要因素包括以下兩點：1.機械掃描速率的限制，其值一般限制在10KHz范疇；2.載流子下載速率的限制，其值一般限制在KHz范疇。尤其是當不斷提高成像速率時，每一幀圖像曝光時間被縮短，可探測的光子數相應減少，這將大大降低傳感器探測靈敏度。隨著幀率升至一定數值，所得圖像的信噪比將下降得很差從而無法分辨圖像。由此可見，成像幀率和探測靈敏度之間存在著相互制約的矛盾關系。

發明內容

本發明目的是：提供一種高速三維顯微成像系統及方法，對高速移動的目標物體進行高幀率的連續線掃描成像檢測，并利用圖像恢復算法得到被測目標的三維結構，同時實現成像幀率達到了MHz至數十MHz的量級范疇。利用超短脈沖光源實現的快速三維顯微成像技術，通過在光域上對信號光的直接放大，有效提高了成像系統的探測靈敏度，利用每一個光脈沖光譜的空-時映射方法，獲得了較高速的成像速率，該特征明顯優于傳統CCD/CMOS成像技術，并通過引入參考光束的干涉技術和后端的圖像恢復處理算法，將有效地恢復得到被測目標表面的三維結構分布，該技術顯著地提高了工業生產中對物體檢測的生產效率，同時對高速動態物體可實現三維動態捕獲。

本發明的第一技術方案具體如下：一種高速三維顯微成像系統，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串，接著空間域色散模塊對該時域超短光脈沖串實現空間色散作用，時域色散元器件模塊對時域超短光脈沖串實現時間色散作用，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。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，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。

優選地，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。