高速三維顯微成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高速三維顯微成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)的信息量以爆炸式的規(guī)模在膨脹，即人們所說(shuō)的 大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，而在如此大量的信息集合中，如何獲取其中的有效信息成分，這是一 個(gè)嚴(yán)峻的課題。對(duì)于海量信息的篩選，其篩選工具需要滿足如下三個(gè)基本點(diǎn)：高速率、高靈 敏度、高分辨度。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的研究中，人體血液中存在著極少數(shù)的循環(huán)流動(dòng)腫瘤細(xì)胞，而 單個(gè)此類(lèi)細(xì)胞極有可能觸發(fā)癌癥，由于人體血液中的血紅細(xì)胞數(shù)量極大，在lmL血液中大 約有50億個(gè)細(xì)胞，而可能存在的循環(huán)流動(dòng)腫瘤細(xì)胞僅1-2個(gè)，利用現(xiàn)有的CCD/CM0S成像技 術(shù)，檢測(cè)速率為每秒約1000個(gè)細(xì)胞，檢測(cè)完lmL血液細(xì)胞需要約2個(gè)月的時(shí)間，這是不可取 的。在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于產(chǎn)品尺寸測(cè)量和分類(lèi)、條形碼、光學(xué)字符識(shí)別、非接觸尺寸測(cè)量和光 譜學(xué)等眾多領(lǐng)域的檢測(cè)，都需要實(shí)時(shí)連續(xù)線掃描成像技術(shù)。目前，對(duì)于被測(cè)目標(biāo)的外觀結(jié)構(gòu) 成像檢測(cè)分析，受到傳統(tǒng)的成像傳感技術(shù)的限制，其檢測(cè)速率一般在KHz量級(jí)范疇。
[0003] 對(duì)于傳統(tǒng)的(XD/CM0S成像技術(shù)，由于受到理論和技術(shù)的限制，其成像速率一般可 實(shí)現(xiàn)在百KHz量級(jí)及以下，目前報(bào)道的最高幀率的CMOS成像傳感器可達(dá)1MHz。CCD/CM0S成 像速率受限的主要因素包括以下兩點(diǎn)：1.機(jī)械掃描速率的限制，其值一般限制在ΙΟΚΗζ范 疇；2.載流子下載速率的限制，其值一般限制在KHz范疇。尤其是當(dāng)不斷提高成像速率時(shí)， 每一幀圖像曝光時(shí)間被縮短，可探測(cè)的光子數(shù)相應(yīng)減少，這將大大降低傳感器探測(cè)靈敏度。 隨著幀率升至一定數(shù)值，所得圖像的信噪比將下降得很差從而無(wú)法分辨圖像。由此可見(jiàn)，成 像幀率和探測(cè)靈敏度之間存在著相互制約的矛盾關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是：提供一種高速三維顯微成像系統(tǒng)及方法，對(duì)高速移動(dòng)的目標(biāo)物體 進(jìn)行高幀率的連續(xù)線掃描成像檢測(cè)，并利用圖像恢復(fù)算法得到被測(cè)目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí) 實(shí)現(xiàn)成像幀率達(dá)到了MHz至數(shù)十MHz的量級(jí)范疇。利用超短脈沖光源實(shí)現(xiàn)的快速三維顯微 成像技術(shù)，通過(guò)在光域上對(duì)信號(hào)光的直接放大，有效提高了成像系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，利用每 一個(gè)光脈沖光譜的空-時(shí)映射方法，獲得了較高速的成像速率，該特征明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CCD/ CMOS成像技術(shù)，并通過(guò)引入?yún)⒖脊馐母缮婕夹g(shù)和后端的圖像恢復(fù)處理算法，將有效地恢 復(fù)得到被測(cè)目標(biāo)表面的三維結(jié)構(gòu)分布，該技術(shù)顯著地提高了工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)物體檢測(cè)的生產(chǎn) 效率，同時(shí)對(duì)高速動(dòng)態(tài)物體可實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)捕獲。
[0005] 本發(fā)明的第一技術(shù)方案具體如下：一種高速三維顯微成像系統(tǒng)，其包括：寬帶超 短脈沖激光源、與寬帶超短脈沖激光源相連的時(shí)間域色散模塊、與時(shí)間域色散模塊輸出相 連的光放大模塊、與光放大模塊輸出相連的空間域色散模塊、與空間域色散模塊輸出相連 的空間成像模塊、與空間成像模塊輸出相連的參考臂模塊、與參考臂模塊相連的信號(hào)采集 模塊、以及與信號(hào)采集模塊相連的圖像恢復(fù)模塊，其中寬帶超短脈沖激光源輸出具有一定 光譜帶寬的時(shí)域超短光脈沖串，接著空間域色散模塊對(duì)該時(shí)域超短光脈沖串實(shí)現(xiàn)空間色散 作用，時(shí)域色散元器件模塊對(duì)時(shí)域超短光脈沖串實(shí)現(xiàn)時(shí)間色散作用，參考臂模塊實(shí)現(xiàn)圖像 的三維信息干涉記錄，信號(hào)采集模塊完成對(duì)映射有三維圖像信息的采集過(guò)程，同時(shí)圖像恢 復(fù)模炔基于算法恢復(fù)被記錄的三維圖像信息。
[0006] 優(yōu)選地，所述寬帶超短脈沖激光源具有一定的光譜寬度，脈沖的重復(fù)頻率在MHz 至10sMHz量級(jí)范圍，變換極限下的脈沖時(shí)域?qū)挾葹槭w秒至百飛秒量級(jí)，空間成像模塊的 成像過(guò)程中利用的是光源的光譜編碼映射成像方法。
[0007] 優(yōu)選地，所述寬帶超短脈沖激光源利用光纖放大和鎖模技術(shù)原理進(jìn)行穩(wěn)定輸出。
[0008] 優(yōu)選地，所述參考臂模塊通過(guò)完成成像光束和參考光束的相干過(guò)程，記錄被測(cè)對(duì) 象的二維彳目息。
[0009] 優(yōu)選地，所述寬帶超短脈沖激光源中激光器由光纖環(huán)腔構(gòu)成，利用摻雜稀土元素 的光纖實(shí)現(xiàn)光放大作用，并利用鎖模介質(zhì)實(shí)現(xiàn)時(shí)域超短脈沖的輸出。
[0010] 優(yōu)選地，所述激光器的增益輸出需要使用栗浦光源的注入，并通過(guò)調(diào)節(jié)光纖中光 信號(hào)的偏振態(tài)獲得穩(wěn)定的光脈沖輸出。
[0011] 優(yōu)選地，所述寬帶超短脈沖激光源在成像前進(jìn)行分束，其中一路作為參考光束，不 進(jìn)行任何操作，與成像光束干涉后，兩光束實(shí)現(xiàn)了拍頻，拍頻信號(hào)中則記錄被測(cè)物體的三維 信息。
[0012] 優(yōu)選地，通過(guò)對(duì)干涉脈沖信號(hào)的采集后，進(jìn)行了信號(hào)的時(shí)-頻分析處理，通過(guò)利用 短時(shí)傅里葉變換操作，分析信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜，從而解析得到物體的三維圖像信息。
[0013] 本發(fā)明的第二技術(shù)方案具體如下：一種高速三維顯微成像方法，其包括如下步驟： 先利用超短脈沖激光源將短脈沖的光譜進(jìn)行空間色散操作，使得光譜信息映射至空間域， 并對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行光譜編碼成像；同時(shí)利用與參考光干涉的操作，使得拍頻光信號(hào)記錄了 物體的三維信息；然后通過(guò)將信號(hào)光脈沖進(jìn)行時(shí)間色散操作，使得光譜信息映射至?xí)r間域， 也就是將成像記錄的信息映射至?xí)r域信號(hào)，再利用信號(hào)采集模塊，采集存儲(chǔ)所測(cè)圖像信息， 并結(jié)合圖像恢復(fù)算法，最終恢復(fù)得到被測(cè)目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)輪廓。
[0014] 本發(fā)明的第三技術(shù)方案具體如下：一種高速三維顯微成像方法，其包括如下步 驟：
[0015] S1.通過(guò)使用一個(gè)超短脈沖激光源，實(shí)現(xiàn)輸出具有一定時(shí)間間隔的脈沖，此處所使 用的激光器是基于光纖被動(dòng)鎖模實(shí)現(xiàn)的超短脈沖光，增益光纖使用的是摻鉺光纖；
[0016] S2.從脈沖源輸出的脈沖送入至?xí)r間域色散模塊，即進(jìn)入色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行時(shí)域 色散傳輸；
[0017] S3.時(shí)域色散的光脈沖經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器進(jìn)行光域放大；
[0018] S4.放大后的脈沖源在進(jìn)入空間光鏈路，首先經(jīng)過(guò)的是一個(gè)二分之一波片和一個(gè) 四分之一波片，對(duì)任意輸入的線偏振光進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)輸出，其后使用的是一個(gè)空間 光柵，該光柵的作用是對(duì)光脈沖實(shí)現(xiàn)頻-空映射，并利用一個(gè)凸透鏡將發(fā)散的光束匯聚于 空間目標(biāo)物上；
[0019] S5.照射光脈沖從目標(biāo)物原路反射回鏈路，并與從參考面反射的第二路光束進(jìn)行 干涉，兩光束由于在不同時(shí)延條件下頻移不同，基于不同的頻移信息，可記錄目標(biāo)物的縱向 凹凸位移信息；
[0020] S6.合束光脈沖信號(hào)從空間光鏈路原路耦合進(jìn)光纖中，并由一個(gè)高速光電探測(cè)器 實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的電轉(zhuǎn)換；
[0021] S7.探測(cè)的時(shí)域脈沖信號(hào)通過(guò)短時(shí)傅里葉變換可計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)物的縱向結(jié)構(gòu) 分布情況；
[0022] S8.時(shí)域信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)記了被測(cè)目標(biāo)物的橫向結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)在掃描方向橫向垂直 方向的移動(dòng)成像，得到被測(cè)目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)圖像。
[0023] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是：
[0024] 1、對(duì)于傳統(tǒng)CCD/CM0S成像傳感技術(shù)，由于受到機(jī)械掃描速率的限制和載流子下 載速率的限制，其成像速率基本被限制在百KHz范疇，而其成像速率與成像靈敏度之間也 存在著相互制約的關(guān)系，即成像速率越高導(dǎo)致成像信噪比越差。為了有效地突破成像速率 的瓶頸限制，可通過(guò)利用激光脈沖光譜編碼成像的技術(shù)。該技術(shù)利用脈沖光譜對(duì)目標(biāo)物進(jìn) 行映射成像，其成像幀率等同于脈沖的重復(fù)頻率。通過(guò)在光域?qū)γ}沖光譜進(jìn)行放大的操作， 打破了成像幀率和探測(cè)靈敏度之間的制約關(guān)系。在保證幀率不降低的條件下，有效提高了 成像的信噪比；
[0025] 2、脈沖光譜對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行編碼成像，其光譜的強(qiáng)度信息則記錄了目標(biāo)物的橫向灰 度結(jié)構(gòu)分布，而通過(guò)引入一參考光束，與成像信號(hào)光進(jìn)行干涉，合束的拍頻光則在頻率上記 錄了目標(biāo)物的縱向結(jié)構(gòu)分布，因此合束光的強(qiáng)度和頻率信息記錄了目標(biāo)物的三維結(jié)構(gòu)；
[0026] 3、被測(cè)目標(biāo)物的縱向分布被記錄在拍頻光束的拍頻信息中，通過(guò)利用短時(shí)傅里葉 變換對(duì)時(shí)域拍頻信號(hào)的時(shí)-頻分析，從分析得到的頻率成分中，可計(jì)算得到目標(biāo)物表面與 參考面的位移差。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0028] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理框架圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明的光源在空間映射的原理示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖4為本發(fā)明在對(duì)一平面物體成像得到的結(jié)果圖。
[0032] 圖5為本發(fā)明在對(duì)一凹凸面成像得到的結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 實(shí)施例：如圖1-5所示，本發(fā)明提供了一種高速三維顯微成像系統(tǒng)，其包括：寬帶 超短脈沖激光源、與寬帶超短脈沖激光源相連的時(shí)間域色散模塊、與時(shí)間域色