一種緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統及方法

2024-04-15 04:02:05 3

1.本發明涉及超高速成像技術領域，具體涉及一種緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統及方法。


背景技術：

2.數字高速相機已被用於監測大量瞬態事件，從雷射燒蝕和等離子體形成到細胞動力學和地質材料研究。為了提高傳感器幀率，已經發明了各種電子傳感器架構，例如電荷耦合器件(ccd)、互補金屬氧化物傳感器(cmos)和原位存儲圖像傳感器(isis)。然而，這通常以減少序列深度和/或像素數的形式付出代價。例如，最先進的photron sa-z以20kfps(fps，每秒幀數)的速度記錄傳感器尺寸為1024
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1024像素的視頻(參見文獻：j.manin,s.a.skeen,and l.m.pickett,「performance comparison ofstate-of-the-art high-speed video cameras for scientific applications,」opt.eng.57,121706(2018))，而在以2.1mfps的幀速率只能記錄128
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8像素的傳感器尺寸。一種具有相似像素解析度(32
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32像素)的快速傳感器技術能夠實現高達25mfps的採集速度，然而，在高速下其序列深度顯著降低，達到1220幀(參見文獻：v.t.s.dao,n.ngo,a.q.nguyen,k.morimoto,k.shimonomura,p.goetschalckx,l.haspeslagh,p.de moor,k.takehara,and t.g.etoh,「an image signal accumulation multi-collection-gate image sensor operating at 25mfps with 32
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32pixels and 1220in-pixel framememory,」sensors 18,3112(2018))。為了克服一些基於單傳感器的快速限制，出現了替代的攝像解決方案。例如，多通道增強相機可以以200mfps的速度採集多達16張1024
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1024像素的圖像(參見文獻：a.roth,d.frantz,w.chaze,a.corber,and e.berrocal,「high-speedimaging database of water jet disintegration part i:quantitative imaging using liquid laser-induced fluorescence,」int.j.multiph.flow 145,103641(2021))。
3.相比之下，多重曝光頻域重建技術(frame)能夠實現高時空分辨、高幀頻。它是一種基於頻譜分幅技術的主動高速攝影技術。然而，隨著序列深度(分幅數量)增加，frame面臨著系統的複雜性、操作難度將急劇提升的難題。


技術實現要素：

4.本發明為解決採用多重曝光頻域重建技術進行分幅數量較大的視頻處理時，系統的複雜性及操作難度增加的技術問題，提出一種緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統及方法。
5.本發明提供的技術方案為：
6.一種緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統，其特殊之處在於，包括脈衝光源、結構光序列產生單元、高速場景發生單元、圖像採集單元、數據處理單元及控制單元；
7.所述脈衝光源用於發射一個脈衝並輸出給結構光序列產生單元；
8.所述結構光序列產生單元沿脈衝傳輸方向上依次包括分束衍射光學元件、第一傅
裡葉透鏡、階梯形延遲線及第二傅立葉透鏡；分束衍射光學元件接收脈衝並輸出n對光脈衝，n≥2，n為整數且等於高速場景發生單元中待測目標場景的分幅數量，每對光脈衝相對於n對光脈衝形成的光柱中心軸對稱；
9.第一傅立葉透鏡與分束衍射光學元件的距離為f1，f1為第一傅立葉透鏡的焦距；所述階梯形延遲線包括沿中心軸對稱設置的第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線，第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線是的下表面均為平面的螺旋體，螺旋體的上表面為180
°
的螺旋型面；第一子螺旋延遲線的螺旋低端側面與第二子螺旋延遲線的螺旋高端側面相接，第一子螺旋延遲線的螺旋高端側面與第二子螺旋延遲線的螺旋低端側面相接；階梯形延遲線的中心軸垂直於第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線的下表面；可以理解的是，階梯形延遲線上相對於中軸線對稱的兩個位置沿軸向的厚度相等，用於使n對光脈衝通過階梯形延遲線時，同一對光脈衝在階梯形延遲線上獲得相同的傳播延時，且不同對光脈衝在階梯形延遲線上獲得不同的傳播延時；
10.第二傅立葉透鏡與高速場景發生單元距離為f2，f2為第二傅立葉透鏡的焦距；第二傅立葉透鏡將n對光脈衝聚焦並輸出給高速場景發生單元的接收端，用於使同一對光脈衝在高速場景發生單元的接收端產生一個正弦條紋結構光脈衝；
11.所述控制單元分別與脈衝光源、圖像採集單元相連接，控制單元接收脈衝光源啟動的信號，並將信號傳輸給圖像採集單元用於在n對光脈衝通過高速場景發生單元後，控制圖像採集單元啟動；高速場景發生單元輸出的信號由圖像採集單元接收，圖像採集單元與數據處理單元相接；所述數據處理單元用於接收圖像採集單元採集的圖像信號重建高速圖像。
12.進一步地，所述螺旋體的上表面為180
°
的螺旋型面具體為：第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線的上表面均設置有厚度不同的n個臺階，沿中心軸對稱的臺階軸向厚度相同。
13.進一步地，所述螺旋體的上表面為180
°
的螺旋型面具體為：第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線的上表面為螺旋平面，且沿中心軸對稱的位置軸向厚度相同。
14.進一步地，所述階梯形延遲線為石英玻璃，階梯形延遲線軸向厚度與傳播延時關係為1*10-11
s/mm。
15.進一步地，所述圖像採集單元為至少一個ccd相機或cmos相機。
16.本發明還提供一種緊湊型長序列頻域重建超高速成像方法，其特殊之處在於，採用上述的緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統，包括以下步驟：
17.s1、脈衝光源發射一個脈衝；
18.s2、脈衝經過分束衍射光學元件進行分束，產生n對光脈衝，n≥2，n為整數且等於高速場景發生單元中待測目標場景的分幅數量；
19.s3、n對光脈衝經過第一傅立葉透鏡後進入階梯形延遲線，同一對光脈衝進入階梯形延遲線的位置相對於中軸線對稱，並具有相同的傳播延時，獲得n對具有不同傳播延時的光脈衝；n對具有不同傳播延時的光脈衝的時間間隔與高速場景發生單元中待測目標場景的幀間隔相等，且脈寬與時間分辨相等；
20.s4、n對具有不同傳播延時的光脈衝經第二傅立葉透鏡聚焦，在高速場景發生單元的接收端，同一對光脈衝中的兩個光脈衝在高速場景發生單元的接收端產生正弦條紋結構
光脈衝，獲得n個正弦條紋結構光脈衝構成的結構光序列，其中，各個正弦條紋結構光脈衝具有不同的空間頻率大小和方向；
21.結構光序列照射高速場景發生單元產生的待測目標場景，形成攜帶待測目標場景不同時刻動態信息的結構光序列；
22.s5、圖像採集單元對攜帶待測目標場景不同時刻動態信息的結構光序列進行圖像採集，並進行一次曝光形成結構信號光序列疊加圖像；
23.s6、數據處理單元接收圖像採集單元輸出的結構信號光序列疊加圖像，並採用頻域重建算法處理所述結構信號光序列疊加圖像，得到重建的動態場景高速圖像。
24.本發明的有益效果：
25.1、本發明提出的緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統通過設置分束衍射光學元件和階梯形延遲線產生太赫茲級(10
12
hz)至拍赫茲級(10
15
hz)幀率的光脈衝序列，利用光的衍射和幹涉產生條紋，解決frame成像系統複雜的問題，相比於傳統頻域重建高速成像系統，本發明提供的系統縮小數十倍，當畫幅數增多時，本發明提供的系統相比傳統系統將縮小數百倍甚至數千倍，具備明顯的小型化優勢。
26.2、本發明通過設置衍射光學元件產生不同方向和空間頻率的條紋狀脈衝光，能夠保證圖像序列在頻域上的位置的準確度，具有對稱的180
°
的螺旋型面的階梯形延遲線也能保障序列時間間隔的準確性，因此相比傳統的頻域重建高速成像系統，本發明提供的系統具有高度的可靠性和穩定性，且成本更加低廉。
附圖說明
27.圖1為本發明緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統實施例示意圖；
28.圖2為本發明實施例中結構光序列產生單元結構示意圖；
29.圖3為本發明實施例中階梯形延遲線結構示意圖。
30.附圖標記如下：
31.1-脈衝光源，2-結構光序列產生單元，3-高速場景發生單元，4-圖像採集單元，5-數據處理單元，6-分束衍射光學元件，7-第一傅立葉透鏡，8-階梯形延遲線，9-第二傅立葉透鏡，10-控制單元。
具體實施方式
32.參見圖1，本實施例提供一種緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統，該系統包括脈衝光源1、結構光序列產生單元2、高速場景發生單元3、圖像採集單元4、數據處理單元5及控制單元10。
33.脈衝光源1用於產生一個脈衝並輸出給結構光序列產生單元2；參見圖2，結構光序列產生單元2沿脈衝傳輸方向上依次包括分束衍射光學元件6、第一傅立葉透鏡7、階梯形延遲線8及第二傅立葉透鏡9。
34.分束衍射光學元件6(doe，diffraction optical element)接收脈衝並輸出四對光脈衝，光脈衝對數等於高速場景發生單元3中待測目標場景的分幅數量，每對光脈衝相對於n對光脈衝形成的光柱中心軸對稱；第一傅立葉透鏡7與分束衍射光學元件6的距離為f1，f1為第一傅立葉透鏡7的焦距。
35.階梯形延遲線8包括沿中心軸對稱設置的第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線，第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線是下表面均為平面的螺旋體，螺旋體的上表面為形狀相同的180
°
的螺旋型面；參見圖3，本實施例中，通過在第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線上表面均設置軸向厚度分別為h1、h2、h3及h4的臺階，且h1＜h2＜h3＜h4，第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線上相同厚度的臺階相對於中心軸對稱；可以理解的是，第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線上表面也可以不設置臺階，均為螺旋平面，根據需要設置螺旋體的軸向厚度，使同一對光脈衝通過階梯形延遲線8時經過的軸向厚度相同；第一子螺旋延遲線的螺旋低端側面與第二子螺旋延遲線的螺旋高端側面相接，第一子螺旋延遲線的螺旋高端側面與第二子螺旋延遲線的螺旋低端側面相接；階梯形延遲線8的中心軸垂直於第一子螺旋延遲線和第二子螺旋延遲線的下表面；階梯形延遲線8相對於中軸線對稱的兩個位置沿軸向的厚度相等，用於使n對光脈衝通過階梯形延遲線8時，同一對光脈衝在階梯形延遲線8上獲得相同的傳播延時，且不同對光脈衝在階梯形延遲線8上獲得不同的傳播延時；階梯形延遲線8通過厚度來調節n對光脈衝的傳播延時，控制光脈衝的時間間隔(即高速場景發生單元3中待測目標場景的幀間隔)。本實施例中階梯形延遲線8選用石英玻璃材質，則不同對光脈衝通過階梯形延遲線8軸向的傳播延時為1*10-11
s/mm，也就是說兩對的光脈衝通過階梯形延遲線8軸向厚度相差1mm，傳播延時為1*10-11
s；可以理解的是，在其他實施例中，也可以選擇其他合適的材料，根據材料的光折射率調整階梯形延遲線8的軸向厚度。
36.第二傅立葉透鏡9與高速場景發生單元3距離為f2，f2為第二傅立葉透鏡9的焦距；第二傅立葉透鏡9將n對光脈衝聚焦並輸出給高速場景發生單元3的接收端，用於使同一對光脈衝在高速場景發生單元3的接收端產生一個正弦條紋結構光脈衝。
37.控制單元10分別與脈衝光源1、圖像採集單元4相連接，控制單元10接收脈衝光源1啟動的信號，並將信號傳輸給圖像採集單元4用於在n對光脈衝通過高速場景發生單元3後，控制圖像採集單元4啟動；高速場景發生單元3輸出的信號由圖像採集單元4接收，圖像採集單元4與數據處理單元5相接；數據處理單元5用於接收圖像採集單元4採集的圖像信號重建高速圖像。
38.本實施例中，n＝2，可以理解的是，本實施例提供的緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統具有靈活性和可擴張性，成像畫幅數與幀頻可以根據需要設置衍射光學元件和階梯形延遲線8。
39.本發明通過設置產生包含n對中心對稱光脈衝的衍射光學元件和包含軸向高度關於中心對稱的階梯形延遲線8，使用單個探測器構成的相機就能做到高幀頻(》1thz)、多畫幅(》4幅)、全畫幅的高速成像，圖像採集單元4可以為一個ccd相機或cmos相機；也可以根據系統的需要進行擴展，採用多個相機。
40.上述緊湊型長序列頻域重建超高速成像系統的成像方法，包括以下步驟：
41.s1、脈衝光源1發射一個脈衝；
42.s2、脈衝經過分束衍射光學元件6進行分束，產生n對光脈衝，n≥2，n為整數且等於高速場景發生單元3中待測目標場景的分幅數量；
43.s3、n對光脈衝經過第一傅立葉透鏡7後進入階梯形延遲線8，同一對光脈衝進入階梯形延遲線8的位置相對於中軸線對稱，並具有相同的傳播延時，獲得n對具有不同傳播延
時的光脈衝；n對具有不同傳播延時的光脈衝的時間間隔與高速場景發生單元3中待測目標場景的幀間隔相等，且脈寬與時間分辨相等；
44.s4、n對具有不同傳播延時的光脈衝經第二傅立葉透鏡9聚焦，在高速場景發生單元3的接收端，同一對光脈衝中的兩個光脈衝在高速場景發生單元3的接收端產生正弦條紋結構光脈衝，獲得n個正弦條紋結構光脈衝構成的結構光序列，其中，各個正弦條紋結構光脈衝具有不同的空間頻率大小和方向；
45.結構光序列照射高速場景發生單元3產生的待測目標場景，形成攜帶待測目標場景不同時刻動態信息的結構光序列；
46.s5、圖像採集單元4對攜帶待測目標場景不同時刻動態信息的結構光序列進行圖像採集，並進行一次曝光形成結構信號光序列疊加圖像；
47.s6、數據處理單元5接收圖像採集單元4輸出的結構信號光序列疊加圖像，並採用頻域重建算法處理結構信號光序列疊加圖像，得到重建的動態場景高速圖像。