[发明专利]高速三维显微成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速三维显微成像系统及方法。

背景技术

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1mL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/CMOS成像技术，检测速率为每秒约1000个细胞，检测完1mL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。

对于传统的CCD/CMOS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/CMOS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10KHz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

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。

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，同时图像恢复模块基于算法恢复被记录的三维图像信息。

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。

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。

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，记录被测对象的三维信息。

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。

优选地，所述激光器的增益输出需要使用泵浦光源的注入，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。

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。

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。