[發(fā)明專利]基于壓縮感知和條紋相機(jī)原理的超高速壓縮攝影裝置

有效

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• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN107205103B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹烽燕;楊承帥;楊巖;孫真榮;張詩按
• 申請（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225
• 代理公司: 31215 上海藍(lán)迪專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知和條紋相機(jī)原理的超高速壓縮攝影裝置，該裝置包括：透鏡、分束器、空間光調(diào)制器、平面鏡、內(nèi)置CCD的條紋相機(jī)及解碼器；首先通過空間光調(diào)制器對捕獲圖像信息進(jìn)行編碼，然后采用條紋相機(jī)對不同時刻圖像信息進(jìn)行疊加并壓縮采樣，最后基于壓縮感知原理對圖像進(jìn)行重構(gòu)。本裝置能夠在條紋相機(jī)成像速度一定的情況下對超快過程進(jìn)行二維成像，將圖像信息輸出到解碼器，通過TwIST算法高質(zhì)量地重構(gòu)出二維圖像動態(tài)過程（x?y?t），其成像速度可以達(dá)到10^12幀/秒，是一種可以測量不重復(fù)超快事件的單次拍照測量技術(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超快成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可用于納秒和皮秒量級的超快物理、化學(xué)、生物等過程的二維圖像測量技術(shù)，可用來測量時頻域任意形狀皮秒激光脈沖，觀測微納加工動態(tài)過程，分析強(qiáng)光場下分子結(jié)構(gòu)變化動力學(xué)過程等。

背景技術(shù)

高速度捕獲瞬態(tài)場景圖像一直是攝影師們追求的夢想和目標(biāo)，最典型的早期例子就是1878年記錄奔跑中的馬和1887年超聲速子彈攝影。然而，直到二十世紀(jì)末，這種超高速成像仍然沒有被突破，這時成像速度是每秒10^5幀。后來，隨著基于電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的電子成像傳感器出現(xiàn)徹底改變了人們對高速成像的認(rèn)識，使得成像速度可以達(dá)到每秒10^7幀。盡管這種傳感器具有非常廣泛的影響和應(yīng)用，但是這種基于CCD和CMOS技術(shù)的成像速度受限于芯片存儲和電子讀出速度，因此不可能進(jìn)一步提高成像速度，限制了很多相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用，比如測量光速或接近光速運(yùn)動物體。

直到2014年，由美國圣路易斯華盛頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Lihong Wang教授的研究團(tuán)隊發(fā)展了一種基于壓縮傳感理論和條紋相機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，即第一代壓縮超快成像(Compressed ultrafast photography,CUP)技術(shù)，這種CUP技術(shù)可以捕獲不重復(fù)變化事件。條紋相機(jī)用空間坐標(biāo)的形式記錄了每個時刻發(fā)生的事件，它的靈敏度決定了CUP的性能。目前，該裝置已經(jīng)使得成像速度提高到每秒10^11幀，這是迄今為止世界上最快只接受式的攝像機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮感知和條紋相機(jī)原理的超高速壓縮攝影裝置，該裝置可以高質(zhì)量地重構(gòu)出納秒甚至皮秒量級的超快物理、化學(xué)、生物等過程的動態(tài)圖像信息。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種基于壓縮感知和條紋相機(jī)原理的超高速壓縮攝影裝置，特點是該裝置包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、分束器、第一空間光調(diào)制器、第二空間光調(diào)制器、第一平面鏡、第二平面鏡、第三平面鏡、第四平面鏡、內(nèi)置CCD的條紋相機(jī)及解碼器，所述第一透鏡與分束器光路連接；分束器一路與第一空間光調(diào)制器、第二透鏡、第一平面鏡依次光路連接；分束器另一路與第二空間光調(diào)制器、第三透鏡、第二平面鏡依次光路連接；第一平面鏡與第三平面鏡光路連接；第二平面鏡與第四平面鏡光路連接；第三平面鏡、第四平面鏡分別連接內(nèi)置CCD的條紋相機(jī)；內(nèi)置CCD的條紋相機(jī)連接解碼器。

所述分束器分束后的兩條光路通過各光學(xué)器件的總光程相等。

所述分束器滿足反射和透射的兩路光輻射的能量相同，即50％的光被反射，50％的光被透射；分束器反射的一路光經(jīng)由第一空間光調(diào)制器的調(diào)制后到達(dá)第二透鏡、透射的一路光經(jīng)由第二空間光調(diào)制器的調(diào)制后到達(dá)第三透鏡。

所述第二空間光調(diào)制器放置在第一透鏡的像平面上，第一空間光調(diào)制器根據(jù)反射光路的光程，放置在等效的像平面上；所述第一空間光調(diào)制器及第二空間光調(diào)制器對不同時刻圖像信息進(jìn)行編碼。

所述第一平面鏡、第三平面鏡與第二平面鏡、第四平面鏡分別改變光路方向，將光反射進(jìn)入內(nèi)置CCD的條紋相機(jī)中。

所述內(nèi)置CCD的條紋相機(jī)接收來自第三平面鏡、第四平面鏡反射的光，在使用中將條紋相機(jī)的狹縫打開到最大以在CCD相機(jī)獲得一個二維時間偏移圖像，即為單次曝光時間內(nèi)的若干幅圖像的疊加像。在應(yīng)用中，CCD將九個像素(3*3)合并在一起使用以提高探測靈敏度。