[發明專利]一種時空頻五維壓縮超快攝影裝置

有效

• 申請號: 202110399204.7
• 申請日: 2021-04-14
• 公開（公告）號: CN113296346B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 丁鵬鵬;齊大龍;姚云華;孫真榮;張詩按
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G03B35/08
• 分類號: G03B35/08;G03B39/00;H04N13/25;H04N13/296;H04N13/106
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種時空頻五維壓縮超快攝影裝置，通過單次曝光的方式，同時獲取動態場景的三維空間(x,y,z)，一維時間(t)以及一維光譜信息(λ)。該裝置包括數據采集以及數據重構；數據采集系統由立體成像系統以及高光譜成像系統組成，通過壓縮采樣的方式分別獲得兩張積分圖像；數據重構系統利用全變分塊匹配3D濾波(TV?BM3D)算法對采集到的兩張積分圖像單獨重構，最后對兩個重構結果進行耦合獲得五維信息。本發明在超快成像領域內，突破性的首次提出能夠單次曝光獲得三維空間，一維光譜，一維時間(x,y,z,t,λ)五維信息，提升了現有的光學成像維度，在基礎物理，生物醫學以及通訊安全領域，具有重要的意義及應用前景。

技術領域

本發明涉及超快光學、壓縮感知、多維光學成像及計算成像技術領域，包括數據采集和數據重構兩部分，以獲得一個包含三維空間，一維時間，一維光譜信息的動態場景，尤其是一種五維壓縮超快攝影裝置。由于其五維成像的巨大優勢，可以應用于立體熒光壽命成像，基礎物理，生物醫學以及信息傳輸等領域。

背景技術

在科學研究中，空間結構、時間演化和光譜組成是研究對象最基本的特征。多維光學成像作為一種可視化方法，可以提供涵蓋這些方面的豐富信息。因此，它在科學研究中發揮著不可替代的作用，如光與物質相互作用、光在組織中散射等物理或生物化學反應。為了盡可能多的獲取空間、時間、光譜信息，一方面，一些立體成像技術和光譜分辨成像的方法已被開發，如編碼孔徑光譜成像，自適應光學光譜相干斷層掃描,立體全息空間光譜成像和壓縮光譜飛行時間成像。這些技術的核心是對光譜信息到空間上的離散映射或濾波，然后利用CCD或CMOS通過掃描或快照策略的方式，最終實現多維數據采集。然而，由于多維光學掃描成像需要重復操作，并且CCD或CMOS受到數據讀出速度和芯片存儲的限制，成像速度被限制在每秒數百幀(fps)。因此，它不能捕捉一些超快或不可逆事件，如沖擊波和隨機光子傳播。另一方面，由于具有超快時間分辨率的多維光學成像能夠捕捉到時間尺度可達皮秒甚至飛秒，引起了研究人員的極大興趣。而壓縮超快攝影(CUP)、時間順序全光學映射成像(STAMP)和單次拍照飛秒時間分辨光學偏振測量(SS-FTOP)只能捕捉動態場景的三維(x-y-t)信息。高光譜壓縮超快攝影(HCUP)技術進一步提高了CUP的成像維度，能夠捕捉動態場景的時空光譜四維(x,y,t,λ)信息，但缺乏空間深度的信息。因此，目前還沒有一種成像光學技術能夠在單次曝光中同時捕獲動態場景的三維空間，一維時間，一維光譜信息。

發明內容

本發明針對現有的多維光學成像技術，突破了超快光學成像在探測維度上的局限性，提供了一種單次曝光時空頻五維壓縮超快攝影裝置，實現了對動態場景的時空頻五維成像。本發明裝置包括主動照明系統，數據采集系統，同步控制系統以及數據重構系統。本發明的數據采集系統包含了立體成像系統以及高光譜成像系統。立體成像系統可以捕捉動態場景的三維立體信息，而高光譜成像系統可以捕捉動態場景的二維空間，時間，光譜信息。在數據采集過程中，同步控制系統會對CMOS相機以及兩臺條紋相機進行完全同步，確保每一個脈沖信號被三臺相機同時捕捉。本發明通過數據采集系統獲得兩張包含三維空間以及空間時間光譜四維信息的積分圖像，再由數據重構系統對兩張積分圖像單獨進行處理，即利用全變分塊匹配3D濾波算法(TV-BM3D)對積分圖像進行重構及降噪處理。在重構過程中，利用CMOS相機采集到的時間積分圖像對重構結果進行強度和空間限制，進一步提高重構結果的質量。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種時空頻五維壓縮超快攝影裝置，該裝置包括：

一個由飛秒激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、工程散射器件構成的主動照明系統；