一种四维超快摄影装置
阅读：377发布：2022-10-02
专利汇可以提供一种四维超快摄影装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种四维超快摄影装置，包括 数据采集 系统、数据重构系统及同步系统；本发明通过数据采集系统由待测动态场景获取一张积分图像，即对整个超快动态过程进行压缩后的图像，再由数据重构系统对来自数据采集系统的图像进行处理，即进行去噪以及利用增广拉格朗日 算法 去重构待测动态场景，最终获得记录物体的空间x-y，时间t和 光谱 λ四维场景的图像。本发明通过同步系统用来控制条纹相机的工作时间。本发明使现有的光学成像技术得以突破和拓展，实现了对四维动态场景的测量。本发明在 荧光 测量中及 生物 体组织的诊断中具有一定的应用价值。，下面是一种四维超快摄影装置专利的具体信息内容。
1.一种四维超快摄影装置，其特征在于，该装置包括：
一个由可调焦镜头（12）、分束立方（13）、第一透镜（14）、第二透镜（15）、数字微镜器件（16）、光栅（17）及条纹相机（18）构成的数据采集系统（1）；
一个由计算机构成的数据重构系统（2）；
一个由光电探测器（31）及数字延时脉冲发生器（32）构成的同步系统（3）；
所述数据采集系统（1）的可调焦镜头（12）与分束立方（13）连接，分束立方（13）的一路与第一透镜（14）连接，第一透镜（14）与第二透镜（15）连接，第二透镜（15）与数字微镜器件（16）连接；分束立方（13）的另一路与光栅（17）连接，光栅（17）与条纹相机（18）连接；
所述同步系统（3）的光电探测器（31）与数字延时脉冲发生器（32）连接；
所述数据采集系统（1）的条纹相机（18）分别与同步系统（3）的数字延时脉冲发生器（32）及数据重构系统（2）的计算机连接。
一种四维超快摄影装置
技术领域
[0001] 本发明涉及光学及计算机成像技术领域，包括前期的数据采集和后期的数据重构两部分，以获得一个含有光谱动态信息的四维空间场景，尤其是一种四维超快摄影装置。加上条纹相机的扫描速度决定了本装置在一些超快光学成像以及医学生物组织诊断中有一定的应用。
背景技术
[0002] 在科学研究中，获得物体的空间结构，时间演化和光谱组成是非常重要的。它可以帮助人类更好地了解自然现象，如生物医学光学，环境遥感，核爆和天体物理学。光学成像技术作为一种直接观察方法，由于其在空间，时间和光谱分辨率方面的独特能力，为探索人类历史的神秘本质和未知世界提供了强大的工具。然而，现有的光学成像方法只能通过单次拍摄获得时空或空间光谱信息，这极大地限制了对象的信息提取。例如，超快成像技术，包括压缩超快成像(CUP)，压缩超快光谱-时间(CUST)成像和时序全光测图成像(STAMP)，只能获取对象的时空信息。值得注意的是，CUST和STAMP似乎能够获得光谱信息，但它是照明光即啁啾飞秒激光，而并非待测对象的光谱。然而，光谱成像技术，如经典高光谱成像(HSI)和编码孔径快照光谱成像仪(CASSI)，只能得到物体的空间和光谱信息。因此，没有光学成像技术可以用单次拍摄同时记录物体的空间x-y，时间t和光谱λ信息的四维场景。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种四维超快摄影装置。本发明包括数据采集系统、数据重构系统及同步系统；本发明通过数据采集系统由待测动态场景获取一张积分图像，即对整个超快动态过程进行压缩后的图像，再由数据重构系统对来自数据采集系统的图像进行处理，即进行去噪以及利用增广拉格朗日算法去重构待测动态场景，最终获得记录物体的空间x-y，时间t和光谱λ四维场景的图像。本发明通过同步系统用来控制条纹相机的工作时间。本发明使现有的光学成像技术得以突破和拓展，实现了对四维动态场景的测量。
[0004] 实现本发明目的的具体技术方案是：
[0005] 一种四维超快摄影装置，特点是该装置包括：
[0006] 一个由可调焦镜头、分束立方、第一透镜、第二透镜、数字微镜器件、光栅及条纹相机构成的数据采集系统；
[0007] 一个由计算机构成的数据重构系统；
[0008] 一个由光电探测器及数字延时脉冲发生器构成的同步系统；
[0009] 所述数据采集系统的可调焦镜头与分束立方连接，分束立方的一路与第一透镜连接，第一透镜与第二透镜连接，第二透镜与数字微镜器件连接；分束立方的另一路与光栅连接，光栅与条纹相机连接；
[0010] 所述同步系统的光电探测器与数字延时脉冲发生器连接；
[0011] 所述数据采集系统的条纹相机分别与同步系统的数字延时脉冲发生器及数据重构系统的计算机连接。
[0012] 本发明包括数据采集系统、数据重构系统及同步系统；本发明通过数据采集系统由待测动态场景获取一张积分图像，即对整个超快动态过程进行压缩后的图像，再由数据重构系统对来自数据采集系统的图像进行处理，即进行去噪以及利用增广拉格朗日算法去重构待测动态场景，最终获得记录物体的空间x-y，时间t和光谱λ四维场景的图像。本发明通过同步系统用来控制条纹相机的工作时间。本发明使现有的光学成像技术得以突破和拓展，实现了对四维动态场景的测量。
[0013] 本发明由计算机构成数据重构系统，重构采用增广拉格朗日(A-L)算法，具体算法如下：
[0014] 设：被摄对象即动态场景记为X，在CMOS条纹相机中得到结果记为Y，数据采集过程为Y＝LX，L＝MTSC，其中C为空间编码算符，S为光谱偏置算符，T为时间偏移算符，M为多路复用积分算符；解决如下最优解问题：
[0015]
[0016] 其中λ为算法乘子，β为正则化参数，Φ(X)为全变分函数；
[0017] 第一步：引入一个新的变量W，其中W＝DX，D为梯度算符，令Φ(X)＝||DX||2，对其进行约束再变形后，上述方程就变为：
[0018]
[0019] 其中ν是Φ(X)的拉格朗日乘子，μ为对应的正则化参数；
[0020] 第二步：在每次迭代的过程中，将(1)所描述的问题分解为关于变量W和X的两个子问题
[0021] W-子问题：
[0022]
[0023] 对应的解为：
[0024]
[0025] X-子问题：
[0026]
[0027] 对应的解为：
[0028] Xj＝Xj-1-αd(Xj-1) (5)
[0029] 其中d(X)＝(μDT(DX-W)-DTν)+βLT(LX-Y)-LTλ为X的导数，α为迭代优化参数，T为转置矩阵符号；
[0030] 第三步：将(3)和(5)代入(1)重复第一步、第二步，寻求最优解X。
[0031] 本发明的有益效果
[0032] 1)首次实现了四维(x-y-t-λ)同时成像，时间分辨率为2ps，取决于条纹相机；光谱分辨率为1.72nm，取决于所用光栅；空间分辨率为横向1.26lp/mm，纵向1.41lp/mm，取决于本系统的光学性能，可利用测试靶进行标定；
[0033] 2)单次拍照重构出整个待测场景的时间、空间和光谱信息，可以拍摄不重复或者不可逆事件的发生；
[0035] 图1为本发明的结构示意图；
具体实施方式
[0039] 参阅图1，本发明包括一个由可调焦镜头12、分束立方13、第一透镜14、第二透镜15、数字微镜器件16、光栅17及条纹相机18构成的数据采集系统1；
[0040] 一个由计算机构成的数据重构系统2；
[0041] 一个由光电探测器31及数字延时脉冲发生器32构成的同步系统3；
[0042] 所述数据采集系统1的可调焦镜头12与分束立方13连接，分束立方13的一路与第一透镜14连接，第一透镜14与第二透镜15连接，第二透镜15与数字微镜器件16连接；分束立方13的另一路与光栅17连接，光栅17与条纹相机18连接；
[0043] 所述同步系统3的光电探测器31与数字延时脉冲发生器32连接；
[0044] 所述数据采集系统1的条纹相机18分别与同步系统3的数字延时脉冲发生器32及数据重构系统2的计算机连接。
[0045] 实施例1
[0046] 参阅图1，本实施例中，数字延时脉冲发生器32选用DG645数字延时脉冲发生器；条纹相机18选用CMOS工业相机；光栅17的刻度为300lp/mm；
[0047] 数据采集系统1工作，首先选定待测动态场景11，动态图像依次进入可调焦镜头12、分束立方13、第一透镜14、第二透镜15到达数字微镜器件16，由数字微镜器件16进行一个伪随机的编码，编码后的图像由数字微镜器件16上的小单元反射回原先的4f系统再次回到分束立方13，经由分束立方13分束后反射进入到光栅17，由光栅17进行光谱偏移，最后进入条纹相机18进行时间偏移及压缩。
[0048] 数据重构系统2工作，数据重构系统2的计算机对条纹相机18采集到的数据利用增广拉格朗日算法进行重构。
[0049] 同步系统3工作，通过光电探测器31将进入系统的光信号转为电信号，将转变的电信号输给数字延时脉冲发生器32，数字延时脉冲发生器32对电信号进行延迟处理，来控制条纹相机的开始工作时间。
[0050] 实施例2
[0051] 参阅图1、图2，选定的待测动态场景11为一个啁啾的皮秒脉冲信号，通过本发明拍摄整个单脉冲信号示意图。
[0052] 数据采集系统1工作，首先选定待测动态场景11为啁啾的皮秒脉冲信号，动态图像依次进入可调焦镜头12、分束立方13、第一透镜14、第二透镜15到达数字微镜器件16，由数字微镜器件16进行一个伪随机的编码，编码后的图像由数字微镜器件16上的小单元反射回原先的4f系统再次回到分束立方13，经由分束立方13分束后反射进入到光栅17，由光栅17进行光谱偏移，最后进入条纹相机18进行时间偏移及压缩。
[0053] 数据重构系统2工作，数据重构系统2的计算机对条纹相机18采集到的数据利用增广拉格朗日算法进行重构出来的啁啾皮秒脉冲演化图像，其中，图2中的横轴为光谱分辨，纵轴为时间分辨。
[0054] 同步系统3工作，通过光电探测器31和数字延时脉冲发生器32提供时间延迟信号控制条纹相机18的工作时间，实现对光斑信号的四维信息提取。
[0055] 实施例3
[0056] 参阅图1、图3，选定的待测动态场景11为使用50fs的激光脉冲打在罗丹明B溶液中，产生其荧光衰减的动态过程，通过本发明拍摄整个荧光衰减的动态过程示意图。
[0057] 数据采集系统1工作，首先选定待测动态场景11为使用50fs的激光脉冲打在罗丹明B溶液中，产生其荧光衰减的动态过程，动态图像依次进入可调焦镜头12、分束立方13、第一透镜14、第二透镜15到达数字微镜器件16，由数字微镜器件16进行一个伪随机的编码，编码后的图像由数字微镜器件16上的小单元反射回原先的4f系统再次回到分束立方13，经由分束立方13分束后反射进入到光栅17，由光栅17进行光谱偏移，最后进入条纹相机18进行时间偏移及压缩。
[0058] 数据重构系统2工作，数据重构系统2的计算机对条纹相机18采集到的数据利用增广拉格朗日算法进行重构出来的荧光光斑演化图像，其中，图3中的横轴为光谱分辨，纵轴为时间分辨。
[0059] 同步系统3工作，通过光电探测器31和数字延时脉冲发生器32提供时间延迟信号控制条纹相机18的工作时间，实现对荧光信息的四维提取。
[0060] 本发明数据采集系统1中，通过可调焦镜头12接收待测动态场景11的信息，用于改变系统的空间分辨率并且调节成像系统的清晰程度；通过分束立方13用于改变光路；通过第一透镜14与分束立方13相连，第二透镜15与第一透镜14相连，用于搭建一个4f光学系统；通过数字微镜器件16与第二透镜15相连，用于对输入的待测动态场景11的信息进行编码；
通过光栅17与分束立方13相连，用于接收由数字微镜器件16反射回来且经由4f系统的待测动态场景11，并对待测动态场景11进行光谱偏移展宽；通过条纹相机18与光栅17相连，用于对前面的光谱偏移展宽图像进行时间偏移以及时空压缩。
通过光栅17与分束立方13相连，用于接收由数字微镜器件16反射回来且经由4f系统的待测动态场景11，并对待测动态场景11进行光谱偏移展宽；通过条纹相机18与光栅17相连，用于对前面的光谱偏移展宽图像进行时间偏移以及时空压缩。
[0061] 本发明数据重构系统2中，通过计算机接收条纹相机18的采集数据，用于重构原始待测动态场景。重构采用增广拉格朗日A-L算法。
[0062] 本发明同步系统3中，通过光电探测器31收待测动态场景11的光信息转变为电信息后输给数字延时脉冲发生器32，经数字延时脉冲发生器32再输出一个补偿了光程差的电信号给条纹相机18，以控制条纹相机18的工作时间。
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