一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置及方法与流程

本发明属于高速成像技术领域，尤其是一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置及方法。

背景技术：

高速成像技术是研究高速运动过程的一种重要测试方法，针对不同时间变化过程的瞬态事件的测量，需要不同幅频和时间分辨力的成像技术。当前的主流高速成像技术可以分为三大类，一是基于机械分光的转镜高速相机技术，第二类是基于光电技术的高速成像技术，包括光电分幅相机、变像管分幅/扫描相机等，第三类是基于频闪光源的全光成像技术，包括泵浦—探测成像技术、序列时间编码全光分幅成像技术等。

机械转镜相机速度受转动机制限制，基于光电技术的高速成像技术受电子学系统带宽限制，对于皮秒至飞秒原子时间尺度的物理(激光等离子体尾场加速器、快点火脉冲、冲击波前沿、光速运动目标)、化学(电子与原子核相互作用、炸药反应动力学)、生物学、材料学(飞秒激光加工)等过程，无法满足皮秒时间分辨成像诊断要求。要达到飞秒、皮秒时间分辨的超高速成像，通常都是采用泵浦-探测的成像技术，其曝光时间由飞秒脉冲宽度决定，幅间隔由各光路延迟决定。其优点是时间分辨高，有效像素点多。但泵浦-探测技术最大局限性是所测对象必须是高度可重复的，一致的。对于难以重复的概率性或复杂性事件，诸如爆炸、激光聚变研究、量子力学过程、冲击波与生物细胞相互作用、酶反应和半导体热力学过程等事件，泵浦探测方法是无法实现。因此，发展能够实现瞬态超快过程单次诊断的高速分幅成像技术，对于推动上述基础科研的发展具有重要的科学意义。

目前能够实现瞬态超快过程单次诊断的高速分幅成像技术可以分为两类：一类是不需要特殊光源主动照明的超快成像技术，一类是需要飞秒脉冲、啁啾脉冲等主动照明的超高速成像技术。不需要特殊光源主动照明的超快成像技术包括基于扫描相机的单次超快成像技术和基于信息压缩理论的超快成像技术，其核心是将二维图像分解或者图像经过信息编码压缩后再利用变像管扫描相机记录随时间演化的二维图像，再从记录的二维图像重构出分幅图像。基于扫描相机的单次超快成像技术可实现2ps的曝光时间和幅间隔，但其有效像素数极低，严重限制了其应用范围。基于信息压缩理论的超快成像技术，其分幅成像受到压缩传感再重建的方法限制，时间分辨本领最高约为31ps，要做到ps量级目前还比较困难。受到信息压缩的限制，其空间分辨也很低，离实际应用还有一定距离。需要飞秒脉冲、啁啾脉冲等主动照明的超高速成像技术包括单次计算机层析摄影技术和序列时间编码全光分幅成像技术，单次计算机层析摄影技术能够实现皮秒时间分辨，但只能得到某一个截面随时间演化的过程，且光路结构的特殊性对诊断对象的视场有一定的要求。序列时间编码全光分幅相机号称世界最高速的照相机，其幅间隔达每秒4.4万亿帧，像素分辨率为450像素×450像素。该技术目前仅实现了6分幅成像，如果需要实现更多幅的分幅成像，成像光路则相对复杂且调整困难。同时这项技术要实现时域干涉模式，受限于超短脉冲的相干长度，要实现较密的初始干涉条纹，对光路的调整也提出了更高的要求。

如果在飞秒、皮秒时间分辨的基础上，能够实现半透明介质或者粒子场的三维空间分辨诊断，对于理解飞秒激光与物质相互作用、激光尾场加速、飞秒冲击波动力学等超快过程将更加具有现实意义。全息技术以光源的相干性为基础，通过各种手段使目标的空间信息以干涉的形式被记录，之后再采用配套的再现技术对目标的空间信息进行提取。再现过程不仅能够得到目标的空间强度信息，还能够得到目标的空间位相信息。正是因为位相信息可以被高质量的提取出来，才使得全息技术具有高空间分辨、三维分辨、位相分辨等特点。因此，全息技术在生物细胞位相信息提取、流场分布三维诊断等较慢的过程，以及发动机喷雾颗粒分析、脉冲等离子体密度分布以及强冲击波加载下微喷粒子颗粒度分布等快速过程都有着非常重要的应用。而瞬态多幅全息技术除可给出单幅所有信息外还可给出目标随时间的演化，给出位置、密度以及位相随时间的一阶导、二阶导等更加丰富的信息，大力推动高压物理和高能量密度物理科学的理论发展及模拟仿真。

随着高压材料以及强场科学的发展，人们越来越关注超高压下的材料性质以及强场与物质的相互作用，而超高压及强场状态往往只能存在于极短的时间范围内，由此对全息诊断技术提出了更高的要求。例如超高压动态加载下的微喷现象要求全息诊断技术具备微米级空间分辨以及皮秒甚至飞秒级的时间分辨。发展更高时间分辨的单幅全息照相技术可给出超快过程的空间位置、密度以及位相等关键数据。目前最常用的瞬态多幅全息技术为基于角度复用的超快体全息分幅成像技术，该技术通过对参考光入射角进行角度编码，在记录不同时刻图像信息时提供不同入射角度的参考光与物光干涉，可在同一记录区域实现多幅图像重叠记录，但该技术受限于高速波片的工作时间间隔、激光器重频等限制，时间分辨最高可实现～10ns，无法满足皮秒、飞秒级物理过程的全息三维成像需求。迄今为止，未见有可同时实现万亿幅频和全息三维成像的超快成像装置的报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置及方法；不受电子学带宽限制，并能突破传统泵浦探测、基于扫描相机的单次超快成像、基于信息压缩理论的超快成像、单次计算机层析摄影、序列时间编码全光分幅成像等技术局限性，能够具备万亿幅频的全光分幅成像装置，又能够兼顾全息三维成像功能的超快成像系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种万亿幅频全光分幅三维全息成像装置包括：

时域波长映射整形模块，用于对飞秒激光器输出的飞秒脉冲通过脉冲展宽元件后形成啁啾脉冲，然后啁啾脉冲在经过脉冲整形元件后，形成n个不同波长成分的子脉冲；

三维光谱成像模块，用于通过待测目标，调制所述n个子脉冲的幅度或相位，然后通过全息记录介质记录n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息；

图像重构模块，用于将n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息进行图像重构，得到待测目标的成像图像。

进一步的，所述三维光谱成像模块是基于滤波片的三维成像光路，该光路包括物镜与n级全息记录装置；第n级全息记录装置包括第n级带通滤波片、与第n级带通滤波片对应的透镜以及全息记录介质；所述n个不同波长成分的子脉冲依次通过待测目标后，再经过物镜后，然后依次透过n级全息记录装置的第一级带通滤波片、第2级带通滤波片......、第n级带通滤波片；同时未透过第n级带通滤波片的子脉冲依次通过与该级带通滤波片对应的透镜，将携带待测目标信息的图像信息记录在全息记录介质中；n小于等于δλc/δλf；其中δλc是飞秒脉冲光谱宽度，δλf是带通滤波片的滤波宽度。

进一步的，所述三维光谱成像模块是体全息记录光路，该光路包括光路分路结构、n路级联的参考光光路结构以及物光光路结构；其中n个不同波长成分的子脉冲通过光路分路结构后分为两路光；其中一路光通过参考光光路结构后，形成n路参考光，然后到达全息记录介质；另一路光通过待测目标，其幅度与相位受到调制后，形成n个携带待测目标信息的子脉冲图像信息依次分别与物光进行干涉后，记录在全息记录介质上；n小于等于δλc/δλf；其中δλc是飞秒脉冲光谱宽度，δλf是带通滤波片的滤波宽度。

进一步的，所述n路级联的参考光光结构包括n级带通滤波片以及与每个滤波片对应的反射镜组；光路分路结构输出的子脉冲依次透过n级带通滤波片的第一级带通滤波片、第二级带通滤波片、、、、、、第n级带通滤波片；同时未透过第n级带通滤波片的子脉冲依次通过与该级带通滤波片对应的反射镜组，然后该子脉冲与全息记录介质的物光进行干涉，将n幅图像信息记录在全息记录介质中；参考光光路之后的反射镜组是调节这一支路光程长度，使得该光路支路的光程与物光光路经过反射镜组的光程相等。

进一步的，所述全息记录介质是ccd或者全息干板；当全息记录介质是ccd时，图像重构模块将n个ccd记录的信息通过光学衍射算法或数字全息经典算法计算，分别对应得到n幅三维空间分辨成像图像，即待测目标图像；当全息记录介质是全息干板时，图像重构模块通过切片扫描方式对全息干板进行图像扫描，分别对应得到n幅三维空间分辨成像图像，即待测目标图像。

一种万亿幅频全光分幅成像方法包括：

对飞秒激光器输出的飞秒脉冲通过脉冲展宽元件后形成啁啾脉冲，然后啁啾脉冲在经过脉冲整形元件后，形成n个不同波长成分的子脉冲；

通过待测目标，调制所述n个子脉冲的幅度或相位，然后通过全息记录介质记录n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息；

将n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息进行图像重构，得到待测目标的成像图像。

进一步的，所述全息记录介质记录n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息是通过基于滤波片的三维成像光路，该光路包括物镜与n级全息记录装置；第n级全息记录装置包括第n级带通滤波片、与第n级带通滤波片对应的透镜以及全息记录介质；所述n个不同波长成分的子脉冲依次通过待测目标后，再经过物镜后，然后依次透过n级全息记录装置的第一级带通滤波片、第2级带通滤波片......、第n级带通滤波片；同时未透过第n级带通滤波片的子脉冲依次通过与该级带通滤波片对应的透镜，将携带待测目标信息的图像信息记录在全息记录介质中；n小于等于δλc/δλf；其中δλc是飞秒脉冲光谱宽度，δλf是带通滤波片的滤波宽度。

进一步的，所述全息记录介质记录n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息是通过体全息记录光路实现的，该光路包括光路分路结构、n路级联的参考光光路结构以及物光光路结构；其中n个不同波长成分的子脉冲通过光路分路结构后分为两路光；其中一路光通过参考光光路结构后，形成n路参考光，然后到达全息记录介质；另一路光通过待测目标，其幅度与相位受到调制后，形成n个携带待测目标信息的子脉冲图像信息依次分别与物光进行干涉后，记录在全息记录介质上；n小于等于δλc/δλf；其中δλc是飞秒脉冲光谱宽度，δλf是带通滤波片的滤波宽度。

进一步的，路级联的参考光光结构包括n级带通滤波片以及与每个滤波片对应的反射镜组；光路分路结构输出的子脉冲依次透过n级带通滤波片的第一级带通滤波片、第二级带通滤波片、、、、、、第n级带通滤波片；同时未透过第n级带通滤波片的子脉冲依次通过与该级带通滤波片对应的反射镜组，然后该子脉冲与全息记录介质的物光进行干涉，将n幅图像信息记录在全息记录介质中；参考光光路之后的反射镜组是调节这一支路光程长度，使得该光路支路的光程与物光光路经过反射镜组的光程相等。

进一步的，所述全息记录介质是ccd或者全息干板；当全息记录介质是ccd时，图像重构指的是将ccd记录的信息通过光学衍射算法或数字全息经典算法计算，分别对应重构得到n幅三维空间分辨成像图像，即n幅待测目标图像；当全息记录介质是全息干板时，图像重构指的是通过切片扫描方式对全息干板进行图像扫描，分别对应重构得到n幅三维空间分辨成像图像，即n幅待测目标图像。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

相对于现有的瞬态多幅全息成像技术，本发明提供的万亿幅频全光分幅三维全息成像系统包括以下有益效果：第一，可弥补mcp记录的光电分幅系统或变像管扫描分幅系统只能用于十亿幅频(纳秒和亚纳秒时间分辨)成像的不足，实现亚纳秒和皮秒瞬态过程的皮秒和百飞秒时间分辨的分幅成像；第二，与目前的全光分幅成像技术相比，记录的画幅尺寸大大增加，可实现超高的时空分辨能力；第三，基于宽光谱的全息三维成像记录，能够实现待测对象三维空间分辨测量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1整体结构图。

图2是是时域波长映射整形系统结构示意图。

图3是时域波长映射整形光路示例图。

图4是第一种三维光谱成像模块结构图。

图5是第二种三维光谱成像模块结构图。

附图标记：

fp-飞秒脉冲cp-啁啾脉冲sp-n个子脉冲

bs-分束镜g1、g2-光栅对g3、g4--光栅对

m1、m2-反射镜对m3、m4-反射镜对l1、l2-透镜

slm-空间光调制器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、n个子脉冲沿任何支路到全息记录介质的光程相等；

2、带通滤波片将选择对应一个子脉冲的波长成分不透过(反射)，其余波长的光全部透过，从而将每个子脉冲选择出原光路；

各个部件的说明：

本专利工作过程：如图1所示，首先由飞秒激光组件发出一个宽光谱的飞秒飞秒脉冲，时域波长映射整形装置包括两个功能：脉冲展宽和脉冲整形，脉冲展宽是将宽光谱的飞秒脉冲进行时域波长映射，得到波长随时间变化的啁啾脉冲，脉冲整形的作用是将啁啾脉冲整形为一个不同波长成分子脉冲的脉冲串，在啁啾脉冲向脉冲串的转换过程中波长时间映射关系不变。不同波长成分子脉冲经过待测目标，可记录下待测目标在不同时刻的图像信息，然后再经一个全息三维成像系统记录下多个子脉冲所携带的图像信息，最后利用图像重构系统重构出多幅图像信息。

本发明各组件说明：

(1)主动照明飞秒激光组件：

用于为全光分幅全息三维成像系统提供主动照明光源，需满足一定脉冲宽度、频谱宽度、单脉冲能量要求。飞秒激光器其脉冲宽度与频谱宽度之间的关系受傅里叶变换极限限制，对后期光谱成像(空间分离成像)装置的性能参数起限制作用。当飞秒激光的输出的飞秒脉冲的频谱宽度一定时，成像幅数越多，记录每幅图像的子脉冲谱宽越窄、脉冲宽度越长，从而使得成像系统的幅频变低，反之亦然，因此需根据具体的成像幅数和幅频要求选择不同脉冲宽度、频谱宽度的光源。

(2)时域波长映射整形装置

如图2所示，时域波长映射整形装置包括脉冲展宽元件和脉冲整形元件两个部分，其中脉冲展宽元件需根据待测目标的测量时间需求，选择三种及以上方式：1)玻璃棒、2：光栅对和棱镜对、3)光纤等不同展宽能力的展宽元件，脉冲整形部分包括空间光调制器slm、第一衍射光栅g3、第二衍射光栅g4、第一透镜l1和第二透镜l2；第一衍射光栅g4(入射光栅)、第一透镜l1、空间光调制器slm、第二衍射光栅g4和第二透镜l2依次光连接；空间光调制器slm、第一衍射光栅g3、第二衍射光栅g4、第一透镜l1和第二透镜l2都以透镜的焦距等间距分布。

工作过程是：

步骤1：飞秒脉冲经过脉冲展宽元件后形成啁啾脉冲；

步骤2：所述啁啾脉冲经过第一衍射光栅g3(入射光栅)和第一透镜l1后聚焦在空间光调制器slm所在平面上，实现第一次傅立叶变换，脉冲由时域转换成频域；

采用空间光调制器slm改变啁啾脉冲中各个频率成分的相位和振幅，再经过第二透镜l2和第二衍射光栅g4后，实现逆傅立叶变换，输出光又从频域转化到时域，分离的频率成分重新组合在一起，从而获得所需的n个不同波长的子脉冲时域整形脉冲，然后输出；

其中，飞秒脉冲的展宽可以通过玻璃棒和光栅对的组合来实现多个典型记录长度(～2ps，～10ps，～50ps，～100ps)的啁啾脉冲，以满足激光驱动等离子、thz晶格振动波等不同物理过程的诊断需求。玻璃棒展宽是依靠玻璃材料对不同波长的色散不同，其展宽能力与材料色散系数和材料厚度有关。光栅对脉冲展宽是使被光栅衍射的不同波长的蓝光(高频成分)比红光(低频成分)的光程长，从而产生色散使脉冲得到展宽，脉冲展宽与光栅线对数和光栅对距离有关。这一设计实现了测量时间范围的可调性，大大扩展了成像系统的应用范围。在脉冲展宽部分，也可以选用棱镜对、啁啾镜等其他展宽器件，但在制备成本、灵敏度、可调性等方面，玻璃棒和光栅对的组合是最优的展宽方案。

脉冲展宽元件的作用是：利用玻璃棒、光栅对、棱镜对、光纤等展宽元件，实现时域波长映射。展宽原理是：基于光的色散原理，飞秒脉冲的不同光谱成分在色散介质下以不同的速度传播，从而使得脉冲时域波形发生变化。

脉冲整形元件的作用是：通过对相位、振幅的控制生成用户所需的任意形状的超短光脉冲，这里是将啁啾脉冲整形为不同波长的序列子脉冲串，波长时间映射关系不变。在整个全光分幅全息三维成像系统中，舍弃掉脉冲整形装置也能实现全光分幅全息三维成像功能，但成像指标和效果将大打折扣，无法实现万亿幅频的成像指标。脉冲整形光路可将展宽后的啁啾脉冲调制成波长随时间变化的序列脉冲或者是等幅度的啁啾脉冲，减少不同波长成分间的串扰，提高信噪比。这部分光路不是全光分幅成像的必要组件。

脉冲展宽元件的具体实施例：如图3所示：

1)当飞秒脉冲实现百飞秒脉冲展宽时，通过玻璃棒作为脉冲展宽元件；飞秒脉冲通过玻璃棒后，输出啁啾脉冲至脉冲整形元件；

2)当飞秒脉冲实现1ps到100ps脉冲展宽时，通过分束镜、光栅对与棱镜对作为展宽元件，其中飞秒脉冲通过分束镜后，以光栅对中入射光栅的闪耀角作为入射角入射；飞秒脉冲通过光栅对后，再通过棱镜对、反射镜后通过原路返回在通过光栅对、分束镜后输出至脉冲整形元件；

3)当飞秒脉冲实现ns量级的脉冲展宽时，通过光纤作为脉冲展宽器件；飞秒脉冲通过光纤后，输出啁啾脉冲至脉冲整形元件。

脉冲整形元件的具体实施例：

脉冲整形元件通过4f结构的脉冲整形光路实现；啁啾脉冲的入射角与4f结构的脉冲整形光路的入射光栅的闪耀角重合；其中空间光调制器--用声光调制器、全息掩膜、变形面镜以及微面镜阵列代替。

4f结构的脉冲整形光路工作原理：如图3所示：

输入啁啾脉冲经第一个光栅g3(入射光栅)和透镜l1后，聚焦在空间光调制器所在平面上，实现第一次傅立叶变换，脉冲由时域转换成频域。采用空间光调制器-slm可以改变啁啾脉冲中各个频率成分的相位和振幅，再经过透镜l2和光栅g4后，实现逆傅立叶变换，输出光又从频域转化到时域，分离的频率成分重新组合在一起，从而获得所需的时域整形脉冲，此处的空间光调制器-slm也可采用其他调制掩膜代替，如声光调制器、全息掩膜等。

(3)三维光谱成像模块：

对应不同时刻的n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信息记录可以通过n个或一个全息记录介质实现，其成像光路分别如图4和图5所示。图4所示的方案是通过带通滤光片将n个携带待测目标信息的不同子脉冲的图像信(三维信息)记录在对应的n个全息记录介质上，无需引入参考光，记录n幅图像信息需要n个带通滤波片和n个全息记录介质，但并不是带通滤波片和全息记录介质的数量越多即可记录越多的幅数，系统成像幅数受滤波片性能和飞秒脉冲宽度限制。目前的滤波片的滤波宽度最高可实现～3nm，当飞秒脉冲光谱宽度δλ一定时，系统可实现的最高成像幅数n为δλ/(3*10^-9)。全息记录介质可以采用ccd也可以采用全息干板，不同记录介质对应的重现方式不同。这种记录方案适用于记录微喷粒子等具有明显衍射效应的对象，同时也可用于无衍射现象的超快过程的二维超高时空分辨分幅成像。

图5中n个不同波长成分的子脉冲经过分光镜一分为二：其中一路光总是沿固定光路到达粒子场，作为整个全息照相的物光；另一部分通过滤光片组，每一个滤光片将选择对应一个子脉冲的波长成分不透过，其余的光全透，从而将每一个子脉冲选择出原光路，于是不同的脉冲可沿不同的光路到达记录介质，这些沿不同光路到达记录介质的脉冲光作为整个全息照相的参考光。

图5实现角度复用体全息记录的核心在于：1.每一个子脉冲(脉冲总数等于参考光支路总数)分别经过物光路及参考光路后会在记录介质上以不同夹角进行干涉；2.不同夹角形成的全息图具有不同的条纹间距或条纹周期，结合体全息的bragg选择性或通过二维空间频谱分析可以将同一干涉区域中不同条纹间距的信息解读出来(即同一个条纹间距对应一次全息图像记录)。

实施例一：例如：当利用可见光进行超快过程测量时，飞秒脉冲中心波长为：780nm、谱宽30nm，空间光调制器选择液晶空间光调制器的指标为：像素数：1920*1080，像元尺寸：8.0um，像面尺寸：15.36mm*8.64mm，填充因子：92％，透镜焦距为200mm，则可计算出对应的光栅常数为600line/mm，光栅入射角为30°。应该根据具体的时间，空间分辨、景深分辨来计算相关参数。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。