高速三维显微成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高速三维显微成像系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息技术的发展，当今社会的信息量以爆炸式的规模在膨胀，即人们所说的 大数据时代已经来临，而在如此大量的信息集合中，如何获取其中的有效信息成分，这是一 个严峻的课题。对于海量信息的筛选，其筛选工具需要满足如下三个基本点：高速率、高灵 敏度、高分辨度。在现代医学的研究中，人体血液中存在着极少数的循环流动肿瘤细胞，而 单个此类细胞极有可能触发癌症，由于人体血液中的血红细胞数量极大，在lmL血液中大 约有50亿个细胞，而可能存在的循环流动肿瘤细胞仅1-2个，利用现有的CCD/CM0S成像技 术，检测速率为每秒约1000个细胞，检测完lmL血液细胞需要约2个月的时间，这是不可取 的。在工业生产中，对于产品尺寸测量和分类、条形码、光学字符识别、非接触尺寸测量和光 谱学等众多领域的检测，都需要实时连续线扫描成像技术。目前，对于被测目标的外观结构 成像检测分析，受到传统的成像传感技术的限制，其检测速率一般在KHz量级范畴。
[0003] 对于传统的(XD/CM0S成像技术，由于受到理论和技术的限制，其成像速率一般可 实现在百KHz量级及以下，目前报道的最高帧率的CMOS成像传感器可达1MHz。CCD/CM0S成 像速率受限的主要因素包括以下两点：1.机械扫描速率的限制，其值一般限制在ΙΟΚΗζ范 畴；2.载流子下载速率的限制，其值一般限制在KHz范畴。尤其是当不断提高成像速率时， 每一帧图像曝光时间被缩短，可探测的光子数相应减少，这将大大降低传感器探测灵敏度。 随着帧率升至一定数值，所得图像的信噪比将下降得很差从而无法分辨图像。由此可见，成 像帧率和探测灵敏度之间存在着相互制约的矛盾关系。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是：提供一种高速三维显微成像系统及方法，对高速移动的目标物体 进行高帧率的连续线扫描成像检测，并利用图像恢复算法得到被测目标的三维结构，同时 实现成像帧率达到了MHz至数十MHz的量级范畴。利用超短脉冲光源实现的快速三维显微 成像技术，通过在光域上对信号光的直接放大，有效提高了成像系统的探测灵敏度，利用每 一个光脉冲光谱的空-时映射方法，获得了较高速的成像速率，该特征明显优于传统CCD/ CMOS成像技术，并通过引入参考光束的干涉技术和后端的图像恢复处理算法，将有效地恢 复得到被测目标表面的三维结构分布，该技术显著地提高了工业生产中对物体检测的生产 效率，同时对高速动态物体可实现三维动态捕获。
[0005] 本发明的第一技术方案具体如下：一种高速三维显微成像系统，其包括：宽带超 短脉冲激光源、与宽带超短脉冲激光源相连的时间域色散模块、与时间域色散模块输出相 连的光放大模块、与光放大模块输出相连的空间域色散模块、与空间域色散模块输出相连 的空间成像模块、与空间成像模块输出相连的参考臂模块、与参考臂模块相连的信号采集 模块、以及与信号采集模块相连的图像恢复模块，其中宽带超短脉冲激光源输出具有一定 光谱带宽的时域超短光脉冲串，接着空间域色散模块对该时域超短光脉冲串实现空间色散 作用，时域色散元器件模块对时域超短光脉冲串实现时间色散作用，参考臂模块实现图像 的三维信息干涉记录，信号采集模块完成对映射有三维图像信息的采集过程，同时图像恢 复模炔基于算法恢复被记录的三维图像信息。
[0006] 优选地，所述宽带超短脉冲激光源具有一定的光谱宽度，脉冲的重复频率在MHz 至10sMHz量级范围，变换极限下的脉冲时域宽度为十飞秒至百飞秒量级，空间成像模块的 成像过程中利用的是光源的光谱编码映射成像方法。
[0007] 优选地，所述宽带超短脉冲激光源利用光纤放大和锁模技术原理进行稳定输出。
[0008] 优选地，所述参考臂模块通过完成成像光束和参考光束的相干过程，记录被测对 象的二维彳目息。
[0009] 优选地，所述宽带超短脉冲激光源中激光器由光纤环腔构成，利用掺杂稀土元素 的光纤实现光放大作用，并利用锁模介质实现时域超短脉冲的输出。
[0010] 优选地，所述激光器的增益输出需要使用栗浦光源的注入，并通过调节光纤中光 信号的偏振态获得稳定的光脉冲输出。
[0011] 优选地，所述宽带超短脉冲激光源在成像前进行分束，其中一路作为参考光束，不 进行任何操作，与成像光束干涉后，两光束实现了拍频，拍频信号中则记录被测物体的三维 信息。
[0012] 优选地，通过对干涉脉冲信号的采集后，进行了信号的时-频分析处理，通过利用 短时傅里叶变换操作，分析信号的实时频谱，从而解析得到物体的三维图像信息。
[0013] 本发明的第二技术方案具体如下：一种高速三维显微成像方法，其包括如下步骤： 先利用超短脉冲激光源将短脉冲的光谱进行空间色散操作，使得光谱信息映射至空间域， 并对目标物体进行光谱编码成像；同时利用与参考光干涉的操作，使得拍频光信号记录了 物体的三维信息；然后通过将信号光脉冲进行时间色散操作，使得光谱信息映射至时间域， 也就是将成像记录的信息映射至时域信号，再利用信号采集模块，采集存储所测图像信息， 并结合图像恢复算法，最终恢复得到被测目标三维结构轮廓。
[0014] 本发明的第三技术方案具体如下：一种高速三维显微成像方法，其包括如下步 骤：
[0015] S1.通过使用一个超短脉冲激光源，实现输出具有一定时间间隔的脉冲，此处所使 用的激光器是基于光纤被动锁模实现的超短脉冲光，增益光纤使用的是掺铒光纤；
[0016] S2.从脉冲源输出的脉冲送入至时间域色散模块，即进入色散补偿光纤进行时域 色散传输；
[0017] S3.时域色散的光脉冲经过掺铒光纤放大器进行光域放大；
[0018] S4.放大后的脉冲源在进入空间光链路，首先经过的是一个二分之一波片和一个 四分之一波片，对任意输入的线偏振光进行任意角度的旋转输出，其后使用的是一个空间 光栅，该光栅的作用是对光脉冲实现频-空映射，并利用一个凸透镜将发散的光束汇聚于 空间目标物上；
[0019] S5.照射光脉冲从目标物原路反射回链路，并与从参考面反射的第二路光束进行 干涉，两光束由于在不同时延条件下频移不同，基于不同的频移信息，可记录目标物的纵向 凹凸位移信息；
[0020] S6.合束光脉冲信号从空间光链路原路耦合进光纤中，并由一个高速光电探测器 实现对光信号的电转换；
[0021] S7.探测的时域脉冲信号通过短时傅里叶变换可计算得到被测目标物的纵向结构 分布情况；
[0022] S8.时域信号强度标记了被测目标物的横向结构信息，通过在扫描方向横向垂直 方向的移动成像，得到被测目标的三维结构图像。
[0023] 本发明优点是：
[0024] 1、对于传统CCD/CM0S成像传感技术，由于受到机械扫描速率的限制和载流子下 载速率的限制，其成像速率基本被限制在百KHz范畴，而其成像速率与成像灵敏度之间也 存在着相互制约的关系，即成像速率越高导致成像信噪比越差。为了有效地突破成像速率 的瓶颈限制，可通过利用激光脉冲光谱编码成像的技术。该技术利用脉冲光谱对目标物进 行映射成像，其成像帧率等同于脉冲的重复频率。通过在光域对脉冲光谱进行放大的操作， 打破了成像帧率和探测灵敏度之间的制约关系。在保证帧率不降低的条件下，有效提高了 成像的信噪比；
[0025] 2、脉冲光谱对目标物进行编码成像，其光谱的强度信息则记录了目标物的横向灰 度结构分布，而通过引入一参考光束，与成像信号光进行干涉，合束的拍频光则在频率上记 录了目标物的纵向结构分布，因此合束光的强度和频率信息记录了目标物的三维结构；
[0026] 3、被测目标物的纵向分布被记录在拍频光束的拍频信息中，通过利用短时傅里叶 变换对时域拍频信号的时-频分析，从分析得到的频率成分中，可计算得到目标物表面与 参考面的位移差。
【附图说明】
[0027] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0028] 图1为本发明的系统原理框架图。
[0029] 图2为本发明的光源在空间映射的原理示意图。
[0030] 图3为本发明的系统结构图。
[0031] 图4为本发明在对一平面物体成像得到的结果图。
[0032] 图5为本发明在对一凹凸面成像得到的结果图。
【具体实施方式】
[0033] 实施例：如图1-5所示，本发明提供了一种高速三维显微成像系统，其包括：宽带 超短脉冲激光源、与宽带超短脉冲激光源相连的时间域色散模块、与时间域色