[发明专利]一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置及方法

权利要求书

1.一种基于结构光的流式高速超分辨成像装置，其特征在于包括：飞秒脉冲激光器（101） 、耦合器（ 102） 、第一光电探测器（ 103） 、任意波形发生器（ 104） 、第一泵浦激光器（ 105） 、第一波分复用器（ 106） 、色散补偿光纤（ 107） 、第二波分复用器（ 108） 、第二泵浦激光器（ 109） 、光电调制器（ 110） 、环形器（ 111） 、准直器（ 112） 、衍射光栅（113） 、第一平凸透镜（ 114） 、第二平凸透镜（ 115） 、显微物镜（ 116） 、观测对象（ 117）、第二光电探测器（ 118） 、高速示波器（ 119） 、数据处理单元（ 120） ；

所述飞秒脉冲激光器（ 101） 与所述耦合器（ 102） 连接；所述的耦合器（ 102） 、第一光电探测器（ 103） 、任意波形发生器（ 104） 依次串联连接；所述的耦合器（ 102） 、第一波分复用器（ 106） 、色散补偿光纤（ 107） 、第二波分复用器（ 108） 依次串联连接；所述第一波分复用器（ 106） 与所述第一泵浦激光器（ 105） 连接；所述第二波分复用器（ 108）与所述第二泵浦激光器（ 109） 连接；所述任意波形发生器（ 104） 与所述光电调制器（110） 连接；所述第二波分复用器（ 108） 与所述光电调制器（ 110） 连接；所述的光电调制器（ 110） 、环形器（ 111） 、准直器（ 112） 依次串联连接；所述衍射光栅（ 113） 以一定距离d₁和角度θ₁置于所述准直器（ 112） 前方；所述第一平凸透镜（ 114） 以一定的距离d₂和角度θ₂置于所述衍射光栅（ 113） 前方；所述第二平凸透镜（ 115） 以一定的距离d₃平行的置于所述第一平凸透镜（ 114） 前方；所述显微物镜（ 116） 以一定的距离d₄平行的置于所述第二平凸透镜（ 115） 前方；所述观测对象（ 117） 以一定的距离d₅平行置于所述显微物镜（ 116） 前方；所述的环形器（ 111） 、第二光电探测器（ 118） 、高速示波器（ 119） 、数据处理单元（ 120） 依次串联连接；

所述飞秒脉冲激光器（ 101） 用于产生飞秒脉冲；所述耦合器（ 102） 用于将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器（ 103） 用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器（ 104） 根据脉冲电信号同步产生N种相位正弦波，N≥3；通过所述色散补偿光纤（ 107） 对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过第一波分复用器（ 106） 、第一泵浦激光器（ 105） 、第二波分复用器（ 108） 和第二泵浦激光器（ 109） 在所述色散补偿光纤（ 107） 中实现分布式拉曼放大以补偿第二路光信号脉冲在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器（ 110） 对时域上拉伸并被补偿的第二路光信号脉冲根据N种相位正弦波进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；所述环形器（111） 以及所述准直器（ 112） 用于调整光谱编码的脉冲发射角度；所述衍射光栅（ 113）上将发射角度调整后光谱编码的脉冲分散开形成线性一维色散脉冲的结构光；所述第一平凸透镜（ 114） 、所述第二平凸透镜（ 115） 以及所述显微物镜（ 116） 将线性一维色散脉冲聚焦到位于微流体通道内的观测对象（ 117） 上，并通过观测对象（ 117） 反射线性一维色散脉冲；所述显微物镜（ 116） 、所述第二平凸透镜（ 115） 、所述第一平凸透镜（ 114） 、所述衍射光栅（ 113） 将反射的线性一维色散脉冲还原为单脉冲；单脉冲通过所述准直器（ 112） 耦合光纤；所述环形器（ 111） 将耦合进光纤的单脉冲传输给第二光电探测器（118） ；所述第二光电探测器（ 118） 将单脉冲转换为模拟电信号；所述高速示波器（ 119）采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元（ 120） ；所述数据处理单元（ 120） 处理数字电信号得到图像并进行存储。

2.一种利用权利要求1所述的基于结构光的流式高速超分辨成像装置进行基于结构光的流式高速超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：所述飞秒脉冲激光器（ 101） 产生飞秒脉冲；

步骤2：所述耦合器（ 102） 将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器（ 103） 将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器（ 104） 根据脉冲电信号同步产生N种相位正弦波，N≥3；通过所述色散补偿光纤（107） 对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过第一波分复用器（ 106） 、第一泵浦激光器（ 105） 、第二波分复用器（ 108） 和第二泵浦激光器（ 109） 在所述色散补偿光纤（ 107）中实现分布式拉曼放大以补偿第二路光信号脉冲在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器（ 110） 对时域上拉伸并被补偿的第二路光信号脉冲根据N种相位正弦波进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；

步骤3：所述环形器（ 111） 以及所述准直器（ 112） 用于调整光谱编码的脉冲发射角度；所述衍射光栅（ 113） 上将发射角度调整后光谱编码的脉冲分散开形成线性一维色散脉冲的结构光；所述第一平凸透镜（ 114） 、所述第二平凸透镜（ 115） 以及所述显微物镜（ 116） 将线性一维色散脉冲聚焦到位于微流体通道内的所述观测对象（ 117） 上，当观测对象在高速移动的时候，线性一维色散脉冲照亮观测对象的不同位置，将观测对象的表面信息编码到线性一维色散脉冲的光谱上，完成了空间编码，然后将从观测对象（ 117） 反射的线性一维色散脉冲通过显微物镜（ 116） 、第二平凸透镜（ 115） 、第一平凸透镜（ 114）、衍射光栅（ 113） 还原为携带观测对象表面信息的单脉冲；携带观测对象表面信息的单脉冲通过所述准直器（ 112） 耦合进所述环形器（ 111） ；

步骤4：所述第二光电探测器（ 118） 将携带观测对象表面信息的单脉冲转换为模拟电信号；

步骤5：所述高速示波器（ 119） 采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元（ 120） ；

步骤6：所述数据处理单元（ 120） 处理数字电信号得到图像并进行存储。