[發(fā)明專利]基于波長(zhǎng)-時(shí)間映射的超快成像裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310271550.6
• 申請(qǐng)日: 2023-03-20
• 公開（公告）號(hào): CN116400558A
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉軍;趙富;王鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G03B39/00
• 分類號(hào): G03B39/00;G02B27/10;G02B27/42;G02B26/00;G02B6/06;G02B6/028;G02B6/32;G02B27/09
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于波長(zhǎng)?時(shí)間映射的超快成像裝置，構(gòu)成包括：脈沖啁啾展寬系統(tǒng)、超快事件場(chǎng)景、多模光纖束、成像透鏡、相機(jī)和計(jì)算機(jī)。其特點(diǎn)在于啁啾脈沖中不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，從單次測(cè)量的圖像中可以獲取超快場(chǎng)景的時(shí)空信息。本發(fā)明首先采集和標(biāo)定不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)多模光纖束的圖像，建立多模光纖束的光譜透射矩陣；然后利用啁啾展寬的測(cè)量脈沖對(duì)超快場(chǎng)景進(jìn)行成像，經(jīng)過(guò)成像透鏡后相機(jī)單次曝光采集圖像；最后通過(guò)空間光譜恢復(fù)算法和光譜透射矩陣，從采集的圖像中恢復(fù)出不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的圖像，實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量的超快成像。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)間分辨率高，只需單次采集的圖像，為探測(cè)和研究各種超快事件提供一種新的技術(shù)方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快光學(xué)和圖像處理領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)重構(gòu)兩部分，以獲得超快事件的二維平面和時(shí)間信息的超快成像裝置。

背景技術(shù)

研究超快動(dòng)態(tài)過(guò)程具有無(wú)可估量的價(jià)值，因此受到在物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)工程、工業(yè)制造、能源、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，研究人員一直在尋找揭示超短時(shí)間尺度的超快成像技術(shù)。

超快成像方法可分為頻閃模式和單發(fā)模式兩種類別，頻閃模式用于對(duì)于度可重復(fù)的瞬態(tài)事件進(jìn)行探測(cè)，例如泵浦-探針?lè)椒?Zewail,A.H.Four-Dimensional?ElectronMicroscopy.Science?328,187-193(2010).)。不過(guò)這種方法無(wú)法進(jìn)行單發(fā)測(cè)量，測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于例如爆炸、破壞性損傷、布朗運(yùn)動(dòng)和慣性約束聚變中的沖擊波等不可重復(fù)的瞬態(tài)過(guò)程變得無(wú)能為力。因此許多單發(fā)模式的超快成像方法被提出來(lái)，其中K.Nakagawa在2014年提出的時(shí)序全光映像攝影(Nakagawa,K.,Iwasaki,A.,Oishi,Y.et?al.Sequentiallytimed?all-optical?mapping?photography(STAMP).Nature?Photon?8,695–700(2014).)是一種發(fā)展較快的方法，其通過(guò)時(shí)間映射裝置把脈沖分為多個(gè)連續(xù)的子脈沖，通過(guò)超快事件后由空間映射裝置把子脈沖投射到相機(jī)的不同位置，從而實(shí)現(xiàn)超快成像。

但是，時(shí)序全光映像攝影的裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作難度大，并且測(cè)量的子脈沖數(shù)量較少，得到的超快事件的圖像也較少，因而時(shí)間分辨率低，不能很好探究超快事件的過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以及增大時(shí)間分辨率，本發(fā)明提出一種基于波長(zhǎng)-時(shí)間映射的超快成像裝置，該裝置采用單次的測(cè)量得到脈沖經(jīng)過(guò)超快事件的圖像，利用多模光纖束進(jìn)行波長(zhǎng)-時(shí)間映射，不需要復(fù)雜裝置；通過(guò)空間光譜恢復(fù)算法和多模光纖束光譜透射矩陣恢復(fù)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的圖像，恢復(fù)圖像的數(shù)量可以得到很多，時(shí)間分辨率高。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于波長(zhǎng)-時(shí)間映射的超快成像裝置，特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)包括：沿光路依次放置的脈沖啁啾展寬系統(tǒng)、超快事件場(chǎng)景、第一成像透鏡、多模光纖束、第二成像透鏡、相機(jī)和計(jì)算機(jī)；所述的脈沖啁啾展寬系統(tǒng)由衍射光柵、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、平移臺(tái)和可調(diào)狹縫組成，所述的第一平面反射鏡和第二平面反射鏡在水平方向相互垂直，所述的第三平面反射鏡和第四平面反射鏡豎直方向相互垂直，所述的可調(diào)狹縫固定在所述的平移臺(tái)上，位于所述的衍射光柵與第三平面反射鏡和第四平面反射鏡之間，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)狹縫的大小，可以控制脈沖展寬后的光譜寬度，調(diào)節(jié)平移臺(tái)的位置，可以控制脈沖展寬后的光譜的中心波長(zhǎng),所述的第一成像透鏡把所述的超快事件場(chǎng)景成像到所述的多模光纖束的端面上，通過(guò)改變所述的第一成像透鏡的位置，可以調(diào)整所述的超快事件場(chǎng)景像的大小，使其與所述的多模光纖束的端面大小匹配。

所述的多模光纖束由大量的多模光纖組成，其端面平整。

所述的計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)測(cè)量的圖像和標(biāo)定程序，通過(guò)調(diào)節(jié)所述的可調(diào)狹縫和所訴的平移臺(tái)，得到不同波長(zhǎng)的單色光用于測(cè)量光纖束的光譜透射矩陣，所述的相機(jī)拍攝脈沖經(jīng)過(guò)所訴的超快事件場(chǎng)景的圖像后，所述的計(jì)算機(jī)利用空間光譜恢復(fù)算法得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的不同波長(zhǎng)的圖像，實(shí)現(xiàn)超快成像。