本发明专利技术涉及一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法，以解决FRAME方法存在各时刻图像频域信息串扰影响频域重建动态场景空间分辨率及画幅数少的技术问题。该系统中脉冲光源用于发射n个具有不同波长的光脉冲，n≥2且n为整数；沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元、高速场景发生单元、4f空间光谱滤波单元；图像采集单元接收4f空间光谱滤波单元的输出信号，图像采集单元与数据处理单元相接。该方法包括：脉冲光源发射n个不同波长的光脉冲；生成结构光脉冲序列；形成结构信号光脉冲序列；通过空间光谱滤波器上对应的通光孔和滤波片消除频域高频串扰；采集空域像并进行曝光；采用频域重建算法重建的图像序列并显示。采用频域重建算法重建的图像序列并显示。采用频域重建算法重建的图像序列并显示。
【技术实现步骤摘要】
一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法
[0001]本专利技术涉及高速成像
，具体涉及一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法。
技术介绍
[0002]物理、化学和生物学中的重要科学问题都依赖于高速光学成像技术来进行研究。这些高速光学成像技术可以被动地依靠光敏元件的快速读出，也可以主动地依靠特殊设计的脉冲序列的照明特性快速读出。
[0003]由于传统CCD和CMOS成像器件的速度受电子存储及读取速度限制，被动高速数字成像的帧频和空间分辨率之间相互制约。因此，高帧频的大画幅二维甚至三维超快成像技术更多地依赖于计算成像技术。参考文献“Gao L.，Liang J.，Li C.et al.Single
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shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second.Nature 516，74
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77(2014).”中提出的压缩感知超快成像技术(Compressed Ultrafast Photography，CUP)将一维空间超快成像器件条纹相机与DMD结合使用，采用压缩感知算法实现了达到百飞秒量级的超快成像。然而，CUP发展至今空间分辨率(672
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512像素，0.36lp/mm)依然不足以支撑较复杂动态现象的高质量成像。由于被动成像的种种局限性，更高速的成像系统已经转向基于主动照明的成像方式。
[0004]传统高速主动成像技术采用超快激光照射样品采集一帧瞬时画面，若要采集多帧就需采用泵浦
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探针的方式，获取的动态图像序列不具备相关性，因此仅适用于可重复动态场景，例如，参考文献“Andreas Velten，Di Wu，Adrian Jarabo，Belen Masia，Christopher Barsi，Chinmaya Joshi，Everett Lawson，Moungi Bawendi，Diego Gutierrez，and Ramesh Raskar，“Femto
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photography:capturing and visualizing the propagation of light”，2013，32(4)：Article No.44.”中麻省理工学院的Andreas Velten等人拍摄光的传播过程。然而对于非重复性的动态场景，如高速射流场，子弹发射过程，爆炸瞬间碎片分布等，泵浦
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探针式的超快成像方法不能满足要求。
[0005]现有的主动高速成像技术通过设计特殊的脉冲序列来照明动态目标，利用脉冲序列的光谱、偏振或空间调制等特性来编码不同时刻的瞬态信息，并通过信号光光谱、偏振和频域解码的方式记录瞬态图像序列。例如，在参考文献“Nakagawa K.,Iwasaki A.,Oishi Y.et al.Sequentially timed all
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optical mapping photography(STAMP).Nature Photon 8，695
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700(2014).”中，东京大学的Nakagawa等人于2014年提出的STAMP通过光谱啁啾将照明激光脉冲在时间和空间上序列化，实现了4.4
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fps的成像帧频；2015年其课题组又提出SF
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STAMP，采用衍射光学元件(DOE)和带通滤波器(BPF)简化STAMP系统并提升了成像画幅数，参见文献“Takakazu Suzuki,Fumihiro Isa,Leo Fujii,Kenichi Hirosawa,Keiichi Nakagawa,Keisuke Goda,Ichiro Sakuma,and Fumihiko Kannari,"Sequentially timed all
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optical mapping photography(STAMP)utilizing spectral filtering,"Opt.Express 23,30512
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30522(2015)”，但STAMP光源复杂且亮度低，成像需要
低噪声成像器件如制冷CCD。2017年隆德大学Andreas Ehn等人在参考文献“A.Ehn,J.Bood,Z.Li,E.Berrocal,M.Ald
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n,and E.Kristensson,"FRAME:femtosecond videography for atomic and molecular dynamics,"Light Sci.Appl.6,e17045(2017)”中公开了利用结构光照明频域恢复技术一次性采集了4帧图像，可在保持较大画幅及较高空间分辨率的情况下实现MHz以上的成像帧频，极具发展前景。但FRAME存在各时刻图像频域信息串扰影响频域重建动态场景空间分辨率及画幅数少的问题。
[0006]因此，目前亟需发展一种新的高速成像技术，以满足高时间分辨、高空间分辨率以及多画幅成像的需求。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于解决现有泵浦
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探针式的超快成像方法不能满足非重复性的动态场景，STAMP系统中光源复杂且亮度低，对成像器件要求高，FRAME方法存在各时刻图像频域信息串扰影响频域重建动态场景空间分辨率及画幅数少的技术问题，提出一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统及方法。
[0008]本专利技术提供的技术方案为：
[0009]一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特殊之处在于：包括脉冲光源、结构光序列产生单元、高速场景发生单元、4f空间光谱滤波单元、控制单元、图像采集单元及数据处理单元；
[0010]所述脉冲光源用于发射n个光脉冲，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长；
[0011]沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元、高速场景发生单元、4f空间光谱滤波单元；
[0012]所述4f空间光谱滤波单元包括第一傅里叶透镜、空间光谱滤波器及第二傅里叶透镜，空间光谱滤波器位于第一傅里叶透镜的后焦面和第二傅里叶透镜的前焦面；
[0013]所述空间光谱滤波器包含n对通光孔，每对关于中心对称的通光孔安装相同的滤波片，n对通光孔中安装的滤波片的滤波范围不同，n对通光孔中安装的滤波片透过的波长与n个光脉冲的波长一一对应；
[0014]所述控制单元分别与脉冲光源、图像采集单元相连接，用于控制脉冲光源发射光脉冲，且在光脉冲通过4f空间光谱滤波单元后，同步控制图像采集单元启动；
[0015]4f空间光谱滤波单元输出的信号由图像采集单元接收，图像采集单元与数据处理单元相接；
[0016]所述数据处理单元用于接收图像采集单元采集的图像信号重建高速图像。
[0017]进一步地，所述结构光序列产生单元包括多个并行的光栅，用于产生条纹结构光脉冲。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：包括脉冲光源(1)、结构光序列产生单元(2)、高速场景发生单元(3)、4f空间光谱滤波单元(4)、图像采集单元(5)、数据处理单元(6)及控制单元(12)；所述脉冲光源(1)用于发射n个光脉冲，n≥2，n为整数且每个光脉冲具有不同的波长；沿光脉冲传输方向依次设置结构光序列产生单元(2)、高速场景发生单元(3)、4f空间光谱滤波单元(4)；所述4f空间光谱滤波单元(4)包括第一傅里叶透镜(7)、空间光谱滤波器(8)及第二傅里叶透镜(9)，空间光谱滤波器(8)位于第一傅里叶透镜(7)的后焦面和第二傅里叶透镜(9)的前焦面；所述空间光谱滤波器(8)包含n对通光孔(10)，每对关于中心对称的通光孔(10)安装相同的滤波片(11)，n对通光孔(10)中安装的滤波片(11)的滤波范围不同，且n对通光孔(10)中安装的滤波片(11)透过的波长与n个光脉冲的波长一一对应；所述控制单元(12)分别与脉冲光源(1)、图像采集单元(5)相连接，控制单元(12)接收脉冲光源(1)启动的信号，并将信号传输给图像采集单元(5)用于在光脉冲通过4f空间光谱滤波单元(4)后，控制图像采集单元(5)启动；4f空间光谱滤波单元(4)输出的信号由图像采集单元(5)接收，图像采集单元(5)与数据处理单元(6)相接；所述数据处理单元(6)用于接收图像采集单元(5)采集的图像信号重建高速图像。2.根据权利要求1所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：所述结构光序列产生单元(2)包括多个并行的光栅，用于产生条纹状的结构光脉冲。3.根据权利要求2所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：所述脉冲光源(1)发射的光为可见光。4.根据权利要求1
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3任一所述的空间光谱滤波频域重建高速成像系统，其特征在于：所述图像采集单元(5)为CCD相机或CMOS相机。5.一种空间光谱滤波频域重建高速成像方法，其特征在于，基于权利要求1
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4所述的空...
【专利技术属性】
技术研发人员：李杭，李亚晖，田进寿，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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