[發明專利]用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統及方法

在審

• 申請號: 201911303203.7
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN111024663A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 李亞暉;高貴龍;何凱;田進壽
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01M10/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 董娜

1.一種用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統，其特征在于：包括脈沖激光器(1)、片光整形裝置(2)、流場發生裝置(3)、濾波片(4)、分幅相機(5)及數據處理裝置(6)；

所述脈沖激光器(1)同時發射激光脈沖和電信號，所述激光脈沖為單脈沖能量在毫焦量級的皮秒激光脈沖，激光脈沖的波長與流場發生裝置(3)中待測目標中待測組份的激發波長相等；

所述片光整形裝置(2)用于將激光脈沖整形為片光；

所述流場發生裝置(3)用于提供待測目標流場，待測目標流場經所述片光照射后，待測目標流場中的待測組份發射熒光信號；

所述濾波片(4)用于透過所述熒光信號并濾除雜散信號，所述雜散信號包括激光脈沖；

所述分幅相機(5)包括同步控制裝置和四臺門控相機，同步控制裝置用于控制四臺門控相機的曝光時間門及延時；

所述分幅相機(5)與脈沖激光器(1)連接，所述脈沖激光器(1)發射的電信號觸發分幅相機(5)，通過所述同步控制裝置控制四臺門控相機，對經濾波片(4)濾波后的熒光信號進行曝光，獲得四分幅圖像；

所述數據處理裝置(6)與分幅相機(5)連接，用于接收分幅相機(5)捕獲的四分幅圖像，采用熒光壽命算法處理四分幅圖像，得到熒光壽命圖像并顯示；

所述熒光壽命算法是基于最小二乘法或最大似然法的擬合算法，或是基于快速熒光壽命算法的非擬合算法。

2.根據權利要求1所述用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統，其特征在于：所述分幅相機(5)為分孔徑式分幅相機或分振幅式分幅相機或者轉鏡式分幅相機。

3.根據權利要求1所述用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統，其特征在于：所述門控相機為像增強型CCD或像增強型CMOS相機。

4.根據權利要求1至3任一所述用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統，其特征在于：所述濾光片為帶通濾波片(4)或者長通濾波片(4)。

5.根據權利要求4所述用于流場診斷的快速熒光壽命成像系統，其特征在于：所述片光整形裝置(2)包括沿激光傳輸方向依次設置的擴束鏡和準直鏡。

6.一種用于流場診斷的雙指數衰減模型快速熒光壽命成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、脈沖激光器(1)發射一個單脈沖能量在毫焦量級的皮秒激光脈沖，該皮秒激光脈沖的波長對應于流場發生裝置(3)中待測目標中待測組份的激發波長；

同時，脈沖激光器(1)發射一個電信號；

步驟二、皮秒激光脈沖經片光整形裝置(2)整形為片光；

步驟三、片光照射流場發生裝置(3)產生的待測目標流場，使待測目標流場中的待測組份發射熒光信號，并經濾波片(4)濾除雜散信號；

步驟四、脈沖激光器(1)發射的電信號觸發分幅相機(5)，使其對經濾波片(4)濾除后的熒光信號進行曝光，獲得記錄四張具有不同曝光時間門的熒光強度圖像；

步驟五、將分幅相機(5)捕獲的四張熒光強度圖像傳送到數據處理裝置(6)，利用擬合算法進行雙指數衰減模型下的熒光壽命圖像計算及顯示。

7.根據權利要求6所述用于流場診斷的雙指數衰減模型快速熒光壽命成像方法，其特征在于，步驟五中，雙指數衰減模型為：

I＝A₁exp(-t/τ₁)+A₂exp(-t/τ₂)；

其中，I為時變熒光信號強度，t為時間，A₁、A₂為2個預指數因子，τ₁、τ₂為2個不同的熒光壽命。

8.一種用于流場診斷的單指數衰減模型高重頻快速熒光壽命成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、脈沖激光器(1)連續發射兩個重頻為KHz～MHz、能量在毫焦量級的皮秒激光脈沖，該皮秒激光脈沖的波長對應于流場發生裝置(3)中待測目標中待測組份的激發波長；

同時，脈沖激光器(1)發射一個電信號；

步驟二、兩個皮秒激光脈沖經片光整形裝置(2)整形為兩個片光；

步驟三、兩個片光先后照射流場發生裝置(3)產生的待測目標流場，使待測目標流場中的待測目標組份發射兩個熒光信號，并經濾波片(4)濾除雜散信號；

其中，兩個熒光信號分別為第一熒光信號和第二熒光信號；

步驟四、脈沖激光器(1)發射的電信號觸發分幅相機(5)，使其對經濾波片(4)濾除后的第一熒光信號和第二熒光信號進行曝光；

分幅相機(5)的其中兩臺門控相機對第一熒光信號進行曝光，獲得記錄第一熒光信號的兩張具有不同曝光時間門的熒光強度圖像；

分幅相機(5)的另外兩臺門控相機對第二熒光信號進行曝光，獲得記錄第二熒光信號的兩張具有不同曝光時間門的熒光強度圖像；

步驟五、將分幅相機(5)捕獲的四張熒光強度圖像傳送到數據處理裝置(6)，進行兩張高重頻熒光壽命圖像的計算及顯示。