一种超快压缩相位成像系统及方法

1.本发明属于高速成像技术领域，更具体地，涉及一种超快压缩相位成像系统及方法。


背景技术：

2.在生物医学与物理科学领域中，光学显微镜是最常见和重要的分析方法与测试工具，可以直观表征检测物体，是人们认识和研究微观世界的重要手段。然而传统的光学显微只能获取样品的强度信息,无法对相位信息进行直接成像或测量。相位成像技术的出现，比如白光干涉仪，定量相位分析仪，使得人们能够对样品的相位分布进行可视化或定量测量，从而能够捕获待测样品的高灵敏度的形貌与深度信息。与其他成像技术相比，该技术无需标记，具有对样品损伤小、可对透明样品进行高衬度成像等优点。然而按照经典采样定理，相位成像记录包含相位信息的信号需要很高的采样带宽以及极大的存储空间，限制了相位成像的广泛应用。
3.近年来，压缩感知(compressed sensing，cs)技术的出现打破了传统采样定理限制，能有效降低信号的采样带宽，利用少量的测量数据准确地恢复原始信号。然而，已有的压缩相位成像受限于高速相机的成像原理和编码器件的刷新率，还不能应用于对动态现象的实时连续观测。此外，光场调控过程复杂、较差的鲁棒性、相位恢复的计算速度过慢等问题也需要进一步研究解决。


技术实现要素：

4.本发明通过提供一种超快压缩相位成像系统及方法，解决现有压缩相位成像技术中光场调控较复杂、编码速率较慢、相位恢复计算较耗时的问题。
5.本发明提供一种超快压缩相位成像方法，包括以下步骤：
6.对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；所述第一脉冲转至信号路，所述第二脉冲转至参考路；
7.在所述信号路，对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，所述结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在所述参考路，所述第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；
8.所述信号路光脉冲与所述参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，所述干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，所述信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。
9.优选的，利用飞秒激光器产生飞秒脉冲，利用时域色散器件将所述飞秒脉冲在时域展宽，利用分光器件对时域展宽的脉冲进行分光处理。
10.优选的，电光调制器根据码型发生器件所产生的编码对所述第一脉冲进行编码调制，得到所述结构光信号。
11.优选的，对所述第一脉冲进行正弦编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括
延迟组件，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差。
12.优选的，对所述第一脉冲进行01随机编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件和相位干涉仪，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差，利用所述相位干涉仪调整参考光相位。
13.优选的，所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器，所述干涉信号传递至所述时域压缩器件，利用所述时域压缩器件将时域展宽的脉冲压缩为飞秒脉冲，利用所述单像素的光电探测器对脉冲进行捕获得到一维信号；
14.所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备，利用所述模数转换器将所述一维信号转换为数字信号后传输至所述计算设备，所述计算设备根据编码调制的类型采用对应的重构算法恢复样本信息。
15.优选的，采用正弦编码调制时，利用逆傅里叶变换的方法恢复样本相位信息；采用01随机编码调制时，利用正交匹配追踪算法恢复样本信息。
16.另一方面，本发明提供一种超快压缩相位成像系统，包括：时域展宽分光单元、脉冲调制单元、信号采集单元、调整单元、耦合器、压缩采集单元和信号处理单元；
17.所述时域展宽分光单元用于对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；
18.所述脉冲调制单元用于对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号；
19.所述信号采集单元用于接收所述结构光信号，并形成包含样品信息的信号路光脉冲；
20.所述调整单元用于接收所述第二脉冲，并形成参考路光脉冲；
21.所述耦合器用于耦合所述信号路光脉冲和所述参考路光脉冲，以得到干涉信号；
22.所述压缩采集单元用于对所述干涉信号进行压缩采集；
23.所述信号处理单元用于根据压缩采集信号，利用重构算法恢复样本信息；
24.所述超快压缩相位成像系统用于实现如上述的超快压缩相位成像方法中的步骤。
25.优选的，所述时域展宽分光单元包括飞秒激光器、时域色散器件和分光器件；
26.所述脉冲调制单元包括电光调制器和码型发生器件；
27.所述信号采集单元包括沿光路依次设置的第一空间色散器件、聚焦组件和第二空间色散器件；
28.所述调整单元包括延时组件，或者，包括延时组件以及相位干涉仪；
29.所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器；
30.所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备。
31.优选的，所述时域色散器件采用单模光纤，所述分光器件采用分束器或1
×
2光纤耦合器，所述码型发生器件采用任意波形发生器，所述第一空间色散器件采用第一衍射光栅；所述聚焦组件包括沿光路依次设置的第一4f系统、第一物镜、第二物镜和第二4f系统，样品位于所述第一物镜与所述第二物镜之间；所述第二空间色散器件采用第二衍射光栅，所述延时组件由若干反射镜组成，所述时域压缩器件采用色散补偿光纤。
32.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
33.本发明首先对时域展宽的脉冲进行分光处理得到第一脉冲和第二脉冲，其中，第一脉冲转至信号路，第二脉冲转至参考路；然后，在信号路，对第一脉冲进行编码调制得到
结构光信号，结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在参考路，第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；之后，信号路光脉冲与参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。即本发明利用离轴干涉成像方法，设计编码调制信号路时域脉冲用于稀疏采集样品信息，并采集压缩的干涉信号，最后采用重构算法恢复信号相位与强度信息。本发明能够有效减少传统相位成像所需数据量，避开当前压缩相位成像复杂的光场调控过程，突破空间光调制器的编码速率，大幅提高成像的帧速率，缩短相位恢复计算时间，实现超快连续相位成像。
附图说明
34.图1为本发明实施例1提供的一种超快压缩相位成像方法的框架示意图；
35.图2为本发明实施例2提供的一种超快压缩相位成像系统的连接示意图；
36.图3为本发明实施例3提供的一种超快压缩相位成像系统的连接示意图。
具体实施方式
37.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
38.实施例1：
39.实施例1提供一种超快压缩相位成像方法，参见图1，包括以下步骤：
40.步骤1、对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；所述第一脉冲转至信号路，所述第二脉冲转至参考路。
41.具体的，利用飞秒激光器产生飞秒脉冲，利用时域色散器件将所述飞秒脉冲在时域展宽，利用分光器件对时域展宽的脉冲进行分光处理。
42.步骤2、在所述信号路，对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，所述结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在所述参考路，所述第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲。
43.具体的，电光调制器根据码型发生器件所产生的编码对所述第一脉冲进行编码调制，得到所述结构光信号。此步骤将编码同步精确调制到展宽脉冲的时域波形上，保持编码与激光器的脉冲同步。
44.根据采用的编码为正弦编码或01随机编码，分别使用不同成像方案。采用正弦编码调制高速脉冲的方案时，在所述信号路采用四步相移的方法采集样品；采用01随机编码调制方案时，则在所述参考路施加四步相移。
45.若对所述第一脉冲进行正弦编码调制；则在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差。
46.若对所述第一脉冲进行01随机编码调制；则在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件和相位干涉仪，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差，利用所述相位干涉仪调整参考光相位。
47.步骤3所述信号路光脉冲与所述参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，所述干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，所述信号处理单元利
用重构算法恢复样本信息。
48.具体的，所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器，所述干涉信号传递至所述时域压缩器件，利用所述时域压缩器件将时域展宽的脉冲压缩为飞秒脉冲，利用所述单像素的光电探测器对脉冲进行捕获得到一维信号；所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备，利用所述模数转换器将所述一维信号转换为数字信号后传输至所述计算设备，所述计算设备根据编码调制的类型采用对应的重构算法恢复样本信息。
49.若采用正弦编码调制时，则利用逆傅里叶变换的方法恢复样本相位信息；若采用01随机编码调制时，则利用正交匹配追踪算法恢复样本信息。
50.与上述提供的方法对应，实施例1还提供一种超快压缩相位成像系统，包括：时域展宽分光单元、脉冲调制单元、信号采集单元、调整单元、耦合器、压缩采集单元和信号处理单元。
51.其中，所述时域展宽分光单元用于对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲。具体的，所述时域展宽分光单元包括飞秒激光器、时域色散器件和分光器件。所述时域色散器件可采用单模光纤，所述分光器件可采用分束器或1
×
2光纤耦合器。
52.所述脉冲调制单元用于对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号。具体的，所述脉冲调制单元包括电光调制器和码型发生器件，所述电光调制器的光信号接口接入所述第一脉冲，所述电光调制器的射频信号接口连接所述码型发生器件。所述码型发生器件可采用任意波形发生器。
53.所述信号采集单元用于接收所述结构光信号，并形成包含样品信息的信号路光脉冲。具体的，所述信号采集单元包括沿光路依次设置的第一空间色散器件、聚焦组件和第二空间色散器件。所述第一空间色散器件可采用第一衍射光栅，将脉冲在空间色散展开；所述聚焦组件包括沿光路依次设置的第一4f系统、第一物镜、第二物镜和第二4f系统，样品位于所述第一物镜与所述第二物镜之间，即光信号依次经过所述第一4f透镜、所述第一物镜整形聚焦至样品表面采集样品信息，包含样品信息的信号路光脉冲经过所述第二物镜和所述第二4f透镜后照射至所述第二空间色散器件；所述第二空间色散器件可采用第二衍射光栅。
54.所述调整单元用于接收所述第二脉冲，并形成参考路光脉冲。具体的，所述调整单元包括延时组件，或者，包括延时组件以及相位干涉仪。所述延时组件可由若干反射镜组成。
55.所述耦合器用于耦合所述信号路光脉冲和所述参考路光脉冲，以得到干涉信号。
56.即在信号路中，所述电光调制器根据所述码型发生器件所产生的编码对信号路的光脉冲进行调制，产生结构光，再通过空间色散器、4f系统、物镜将结构光整形聚焦于待测样品上实现对样品的高速压缩采样，将光脉冲在空间域合束后入射至所述耦合器的一端。在参考路中，参考路光信号入射至延时组件，调整参考路与信号路的光程差，经过延时组件的参考光信号入射至耦合器的另一端。信号光信号、参考光信号入射至所述耦合器之前均还可先通过准直器进行准直，参考光信号入射至延时组件之前也可以先通过准直器进行准直。
57.所述压缩采集单元用于对所述干涉信号进行压缩采集。具体的，所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器。所述时域压缩器件可采用色散补偿光纤，将
时域展宽的脉冲压缩为飞秒脉冲。
58.所述信号处理单元用于根据压缩采集信号，利用重构算法恢复样本信息。具体的，所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备。
59.即信号处理单元根据编码选择使用两种不同的重构算法实现信号压缩与信息重构。
60.现有的压缩相位成像需要利用dmd等空间光调制器调制编码，编码刷新速率只能达到khz，成像帧速率受限于空间光调制器的刷新帧速率，不适合用于高速成像；同时基于空间光调制器的成像系统的调控精度以及成像分辨率受限于调制器本身的像素尺寸。而实施例1采用的时域调制方式利用高速的电光调制器可以实现ghz的调制频率，同时对时域波形实现ns级的精确编码，实施例1利用电光调制器调制时域波形能够实现高速编码，突破编码速率限制，实现mhz的扫描帧速率。此外，现有的压缩相位成像利用空间光调控余弦编码时，需要预先对编码进行计算后转化为01码再进行调制，降低了编码的精确度，增加了系统操作的复杂，实施例1提供的系统更加简单，也具有更好的鲁棒性。
61.实施例1利用压缩感知原理，可以在不采集脉冲完整点数的情况下，实现对信号的恢复。在信号采集单元，利用时域压缩器件将拉伸的飞秒脉冲压缩回超短脉冲，此时光电探测器对每一个脉冲只捕捉到一个点，能够大大减少采集的信号数据量。
62.实施例1的采样恢复利用的是传统压缩感知算法，但系统采用一维脉冲扫描，算法在捕捉到一维信号后即对此信号恢复，对比二维信号的恢复，实施例1采用的一维信号的恢复更快速更简单，节省计算资源，同时匹配成像系统的采集速度实现实时成像恢复。此外，本发明系统采用正弦编码时，可以采用逆傅里叶变换的方法恢复信号，相较于传统算法需要迭代计算更快捷。
63.下面结合具体的系统，对本发明做进一步的说明。
64.实施例2：
65.本实施例2提供一种超快压缩相位成像系统，参见图2，系统的光路走向为：飞秒激光器101产生飞秒脉冲，脉冲经过色散光纤102进行时域拉伸，使用分光器件103将展宽后的脉冲分为两路，一路作为信号路，一路作为参考路。电光调制器105的光信号接口接入信号路的脉冲，射频信号接口连接任意波形发生器104，对时域拉伸脉冲进行正弦编码调制。飞秒激光器101的射频信号端接低通滤波器，连接任意波形发生器104的外部时钟。输出的结构光信号入射至第一衍射光栅106，将脉冲在空间色散展开，再依次经过第一4f系统107、第一物镜108整形聚焦至样品表面采集样品信息，包含样品信息的光脉冲经过第二物镜109和第二4f系统110后照射至第二衍射光栅111，将光脉冲在空间域合束后经过准直器入射至耦合器117。参考路光信号入射至由第一反射镜112、第二反射镜113、第三反射镜114、第四反射镜115、第五反射镜116构成的延时组件，调整参考路与信号路的光程差，经过延时组件的参考光信号经过准直器入射至耦合器117，与信号路信号产生干涉。干涉信号连接色散补偿光纤118，将时域拉伸信号压缩，后由光电探测器119捕获并被模数转换器转换为数字信号传输至计算设备，利用重构算法恢复样本相位信息。
66.实施例3：
67.本实施例3提供一种超快压缩相位成像系统，参见图3，系统的光路走向为：飞秒激光器201产生激光；光信号经过色散光纤202进行时域拉伸，使用分光器件203将其展宽后的
脉冲分为两路，一路作为信号路，一路作为参考路。电光调制器205的光信号接口接入信号路的脉冲，射频信号接口连接任意波形发生器204，对时域拉伸脉冲进行01编码调制。飞秒激光器201的射频信号端接低通滤波器，连接任意波形发生器204的外部时钟。输出的结构光信号入射至第一衍射光栅206，将脉冲在空间色散展开，再依次经过第一4f系统207、第一物镜208整形聚焦至样品表面采集样品信息，包含样品信息的光脉冲经过第二物镜209和第二4f系统210后照射至第二衍射光栅211，将光脉冲在空间域合束后经过准直器入射至耦合器218。参考路光信号入射至由第一反射镜212、相位干涉仪213、第二反射镜214、第三反射镜215、第四反射镜216、第五反射镜217构成的调整单元，调整参考路与信号路的光程差，并调整参考光的相位。经过调整后的参考光信号经过准直器入射至耦合器218，与信号路信号产生干涉。干涉信号连接色散补偿光纤219，将时域拉伸信号压缩，后由光电探测器220捕获并被模数转换器转换为数字信号传输至计算设备，利用重构算法恢复样本相位信息。
68.实施例2或实施例3中，所述飞秒激光器101选型为中心波长1550nm、谱宽为15nm、脉宽100fs、重复频率101.7mhz的脉冲激光器；所述色散光纤102为色散系数为17ps/km/nm的单模光纤；所述电光调制器105为1550nm波段的40gbps的马赫-曾德尔调制器；所述任意波形发生器(awg)104的选型为美国是德科技的m8195a；所述第一物镜108和所述第二物镜109的选型为mitutoyo的m plan apo nir hr，数值孔径0.65，放大倍率50x；所述准直器选型为thorlabs的f260fc-1550；所述4f透镜选型为焦距f＝100mm、焦距f＝50mm；所述光电探测器119为10g带宽的pd。
69.综上，本发明调控简单，可以有效提升成像帧率，减少采样数据，准确快速的恢复样品信息。
70.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种超快压缩相位成像方法，其特征在于，包括以下步骤：对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；所述第一脉冲转至信号路，所述第二脉冲转至参考路；在所述信号路，对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，所述结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在所述参考路，所述第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；所述信号路光脉冲与所述参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，所述干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，所述信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。2.根据权利要求1所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，利用飞秒激光器产生飞秒脉冲，利用时域色散器件将所述飞秒脉冲在时域展宽，利用分光器件对时域展宽的脉冲进行分光处理。3.根据权利要求1所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，电光调制器根据码型发生器件所产生的编码对所述第一脉冲进行编码调制，得到所述结构光信号。4.根据权利要求3所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，对所述第一脉冲进行正弦编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差。5.根据权利要求3所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，对所述第一脉冲进行01随机编码调制；在所述参考路中，所述调整单元包括延迟组件和相位干涉仪，利用所述延迟组件调整参考路与信号路的光程差，利用所述相位干涉仪调整参考光相位。6.根据权利要求1所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器，所述干涉信号传递至所述时域压缩器件，利用所述时域压缩器件将时域展宽的脉冲压缩为飞秒脉冲，利用所述单像素的光电探测器对脉冲进行捕获得到一维信号；所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备，利用所述模数转换器将所述一维信号转换为数字信号后传输至所述计算设备，所述计算设备根据编码调制的类型采用对应的重构算法恢复样本信息。7.根据权利要求6所述的超快压缩相位成像方法，其特征在于，采用正弦编码调制时，利用逆傅里叶变换的方法恢复样本相位信息；采用01随机编码调制时，利用正交匹配追踪算法恢复样本信息。8.一种超快压缩相位成像系统，其特征在于，包括：时域展宽分光单元、脉冲调制单元、信号采集单元、调整单元、耦合器、压缩采集单元和信号处理单元；所述时域展宽分光单元用于对时域展宽的脉冲进行分光处理，得到第一脉冲和第二脉冲；所述脉冲调制单元用于对所述第一脉冲进行编码调制得到结构光信号；所述信号采集单元用于接收所述结构光信号，并形成包含样品信息的信号路光脉冲；所述调整单元用于接收所述第二脉冲，并形成参考路光脉冲；所述耦合器用于耦合所述信号路光脉冲和所述参考路光脉冲，以得到干涉信号；所述压缩采集单元用于对所述干涉信号进行压缩采集；
所述信号处理单元用于根据压缩采集信号，利用重构算法恢复样本信息；所述超快压缩相位成像系统用于实现如权利要求1-7中任一项所述的超快压缩相位成像方法中的步骤。9.根据权利要求8所述的超快压缩相位成像系统，其特征在于，所述时域展宽分光单元包括飞秒激光器、时域色散器件和分光器件；所述脉冲调制单元包括电光调制器和码型发生器件；所述信号采集单元包括沿光路依次设置的第一空间色散器件、聚焦组件和第二空间色散器件；所述调整单元包括延时组件，或者，包括延时组件以及相位干涉仪；所述压缩采集单元包括时域压缩器件和单像素的光电探测器；所述信号处理单元包括模数转换器和计算设备。10.根据权利要求9所述的超快压缩相位成像系统，其特征在于，所述时域色散器件采用单模光纤，所述分光器件采用分束器或1
×
2光纤耦合器，所述码型发生器件采用任意波形发生器，所述第一空间色散器件采用第一衍射光栅；所述聚焦组件包括沿光路依次设置的第一4f系统、第一物镜、第二物镜和第二4f系统，样品位于所述第一物镜与所述第二物镜之间；所述第二空间色散器件采用第二衍射光栅，所述延时组件由若干反射镜组成，所述时域压缩器件采用色散补偿光纤。

技术总结
本发明属于高速成像技术领域，公开了一种超快压缩相位成像系统及方法。本发明对时域展宽的脉冲进行分光处理得到第一脉冲和第二脉冲；在信号路，对第一脉冲进行编码调制得到结构光信号，结构光信号通过信号采集单元后形成包含样品信息的信号路光脉冲；在参考路，第二脉冲通过调整单元后形成参考路光脉冲；信号路光脉冲与参考路光脉冲均入射至耦合器并得到干涉信号，干涉信号经压缩采集单元进行压缩采集后入射至信号处理单元，信号处理单元利用重构算法恢复样本信息。本发明能够避开当前压缩相位成像复杂的光场调控过程，突破空间光调制器的编码速率，大幅提高成像的帧速率，实现超快连续相位成像。快连续相位成像。快连续相位成像。


技术研发人员：雷诚 李如冰 翁跃云 林思源
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/10/11