一种超快压缩相位成像系统及方法技术方案

本发明专利技术属于高速成像技术领域，公开了一种超快压缩相位成像系统及方法。本发明专利技术对时域展宽的脉冲进行分光处理得到第一脉冲和第二脉冲；在信号路，对第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在参考路，第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；信号路光脉冲与参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。本发明专利技术能够避开当前压缩相位成像复杂的光场调控过程，突破空间光调制器的编码速率，大幅提高成像的帧速率，实现超快连续相位成像。快连续相位成像。快连续相位成像。

【技术实现步骤摘要】
一种超快压缩相位成像系统及方法


[0001]本专利技术属于高速成像
，更具体地，涉及一种超快压缩相位成像系统及方法。

技术介绍

[0002]在生物医学与物理科学领域中，光学显微镜是最常见和重要的分析方法与测试工具，可以直观表征检测物体，是人们认识和研究微观世界的重要手段。然而传统的光学显微只能获取样品的强度信息,无法对相位信息进行直接成像或测量。相位成像技术的出现，比如白光干涉仪，定量相位分析仪，使得人们能够对样品的相位分布进行可视化或定量测量，从而能够捕获待测样品的高灵敏度的形貌与深度信息。与其他成像技术相比，该技术无需标记，具有对样品损伤小、可对透明样品进行高衬度成像等优点。然而按照经典采样定理，相位成像记录包含相位信息的信号需要很高的采样带宽以及极大的存储空间，限制了相位成像的广泛应用。
[0003]近年来，压缩感知(compressed sensing，CS)技术的出现打破了传统采样定理限制，能有效降低信号的采样带宽，利用少量的测量数据准确地恢复原始信号。然而，已有的压缩相位成像受限于高速相机的成像原理和编码器件的刷新率，还不能应用于对动态现象的实时连续观测。此外，光场调控过程复杂、较差的鲁棒性、相位恢复的计算速度过慢等问题也需要进一步研究解决。

技术实现思路

[0004]本专利技术通过提供一种超快压缩相位成像系统及方法，解决现有压缩相位成像技术中光场调控较复杂、编码速率较慢、相位恢复计算较耗时的问题。
[0005]本专利技术提供一种超快压缩相位成像方法，包括以下步骤：<br/>[0006]对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；所述第一脉冲转至信号路，所述第二脉冲转至参考路；
[0007]在所述信号路，对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，所述结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在所述参考路，所述第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；
[0008]所述信号路光脉冲与所述参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，所述干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，所述信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。
[0009]优选的，利用飞秒激光器产生飞秒脉冲，利用时域色散器件将所述飞秒脉冲在时域展宽，利用分光器件对时域展宽的脉冲进行分光处理。
[0010]优选的，电光调制器根据码型发生器件所产生的编码对所述第一脉冲进行编码调制，得到所述结构光信号。
[0011]优选的，对所述第一脉冲进行正弦编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括
延迟组件，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差。
[0012]优选的，对所述第一脉冲进行01随机编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件和相位干涉仪，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差，利用所述相位干涉仪调整参考光相位。
[0013]优选的，所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器，所述干涉信号传递至所述时域压缩器件，利用所述时域压缩器件将时域展宽的脉冲压缩为飞秒脉冲，利用所述单像素的光电探测器对脉冲进行捕获得到一维信号；
[0014]所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备，利用所述模数转换器将所述一维信号转换为数字信号后传输至所述计算设备，所述计算设备根据编码调制的类型采用对应的重构算法恢复样本信息。
[0015]优选的，采用正弦编码调制时，利用逆傅里叶变换的方法恢复样本相位信息；采用01随机编码调制时，利用正交匹配追踪算法恢复样本信息。
[0016]另一方面，本专利技术提供一种超快压缩相位成像系统，包括：时域展宽分光单元、脉冲调制单元、信号采集单元、调整单元、耦合器、压缩采集单元和信号处理单元；
[0017]所述时域展宽分光单元用于对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；
[0018]所述脉冲调制单元用于对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号；
[0019]所述信号采集单元用于接收所述结构光信号，并形成包含样品信息的信号路光脉冲；
[0020]所述调整单元用于接收所述第二脉冲，并形成参考路光脉冲；
[0021]所述耦合器用于耦合所述信号路光脉冲和所述参考路光脉冲，以得到干涉信号；
[0022]所述压缩采集单元用于对所述干涉信号进行压缩采集；
[0023]所述信号处理单元用于根据压缩采集信号，利用重构算法恢复样本信息；
[0024]所述超快压缩相位成像系统用于实现如上述的超快压缩相位成像方法中的步骤。
[0025]优选的，所述时域展宽分光单元包括飞秒激光器、时域色散器件和分光器件；
[0026]所述脉冲调制单元包括电光调制器和码型发生器件；
[0027]所述信号采集单元包括沿光路依次设置的第一空间色散器件、聚焦组件和第二空间色散器件；
[0028]所述调整单元包括延时组件，或者，包括延时组件以及相位干涉仪；
[0029]所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器；
[0030]所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备。
[0031]优选的，所述时域色散器件采用单模光纤，所述分光器件采用分束器或1
×
2光纤耦合器，所述码型发生器件采用任意波形发生器，所述第一空间色散器件采用第一衍射光栅；所述聚焦组件包括沿光路依次设置的第一4f系统、第一物镜、第二物镜和第二4f系统，样品位于所述第一物镜与所述第二物镜之间；所述第二空间色散器件采用第二衍射光栅，所述延时组件由若干反射镜组成，所述时域压缩器件采用色散补偿光纤。
[0032]本专利技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0033]本专利技术首先对时域展宽的脉冲进行分光处理得到第一脉冲和第二脉冲，其中，第一脉冲转至信号路，第二脉冲转至参考路；然后，在信号路，对第一脉冲进行编码调制得到
结构光信号，结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在参考路，第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；之后，信号路光脉冲与参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。即本专利技术利用离轴干涉成像方法，设计编码调制信号路时域脉冲用于稀疏采集样品信息，并采集压缩的干涉信号，最后采用重构算法恢复信号相位与强度信息。本专利技术能够有效减少传统相位成像所需数据量，避开当前压缩相位成像复杂的光场调控过程，突破空间光调制器的编码速率，大幅提高成像的帧速率，缩短相位恢复计算时间，实现超快连续相位成像。
附图说明
[0034]图1为本专利技术实施例1提供的一种超快压缩相位成像方法的框架示意图；
[0035]图2为本专利技术实施例2提供的一种超快压缩相位成像系统的连接示意图；
[0036]图3为本专利技术实施例3提供的一种超快压缩相位成像系统的连接示意图。
具体实施方式
[0037本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超快压缩相位成像方法，其特征在于，包括以下步骤：对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；所述第一脉冲转至信号路，所述第二脉冲转至参考路；在所述信号路，对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，所述结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在所述参考路，所述第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；所述信号路光脉冲与所述参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，所述干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，所述信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。2.根据权利要求1所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，利用飞秒激光器产生飞秒脉冲，利用时域色散器件将所述飞秒脉冲在时域展宽，利用分光器件对时域展宽的脉冲进行分光处理。3.根据权利要求1所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，电光调制器根据码型发生器件所产生的编码对所述第一脉冲进行编码调制，得到所述结构光信号。4.根据权利要求3所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，对所述第一脉冲进行正弦编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差。5.根据权利要求3所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，对所述第一脉冲进行01随机编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件和相位干涉仪，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差，利用所述相位干涉仪调整参考光相位。6.根据权利要求1所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器，所述干涉信号传递至所述时域压缩器件，利用所述时域压缩器件将时域展宽的脉冲压缩为飞秒脉冲，利用所述单像素的光电探测器对脉冲进行捕获得到一维信号；所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备，利用所述模数转换器将所述一维信号转换为数字信号后传输至所述计算设备，所述计算设备根据编码调制的类型采用对应的重构算法恢复样本信息。7.根据权利要求6所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，采用正...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷诚，李如冰，翁跃云，林思源，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：