[发明专利]一种时空频五维压缩超快摄影装置

说明书

本发明公开了一种时空频五维压缩超快摄影装置，通过单次曝光的方式，同时获取动态场景的三维空间(x,y,z)，一维时间(t)以及一维光谱信息(λ)。该装置包括数据采集以及数据重构；数据采集系统由立体成像系统以及高光谱成像系统组成，通过压缩采样的方式分别获得两张积分图像；数据重构系统利用全变分块匹配3D滤波(TV‑BM3D)算法对采集到的两张积分图像单独重构，最后对两个重构结果进行耦合获得五维信息。本发明在超快成像领域内，突破性的首次提出能够单次曝光获得三维空间，一维光谱，一维时间(x,y,z,t,λ)五维信息，提升了现有的光学成像维度，在基础物理，生物医学以及通讯安全领域，具有重要的意义及应用前景。

技术领域

本发明涉及超快光学、压缩感知、多维光学成像及计算成像技术领域，包括数据采集和数据重构两部分，以获得一个包含三维空间，一维时间，一维光谱信息的动态场景，尤其是一种五维压缩超快摄影装置。由于其五维成像的巨大优势，可以应用于立体荧光寿命成像，基础物理，生物医学以及信息传输等领域。

背景技术

在科学研究中，空间结构、时间演化和光谱组成是研究对象最基本的特征。多维光学成像作为一种可视化方法，可以提供涵盖这些方面的丰富信息。因此，它在科学研究中发挥着不可替代的作用，如光与物质相互作用、光在组织中散射等物理或生物化学反应。为了尽可能多的获取空间、时间、光谱信息，一方面，一些立体成像技术和光谱分辨成像的方法已被开发，如编码孔径光谱成像，自适应光学光谱相干断层扫描,立体全息空间光谱成像和压缩光谱飞行时间成像。这些技术的核心是对光谱信息到空间上的离散映射或滤波，然后利用CCD或CMOS通过扫描或快照策略的方式，最终实现多维数据采集。然而，由于多维光学扫描成像需要重复操作，并且CCD或CMOS受到数据读出速度和芯片存储的限制，成像速度被限制在每秒数百帧(fps)。因此，它不能捕捉一些超快或不可逆事件，如冲击波和随机光子传播。另一方面，由于具有超快时间分辨率的多维光学成像能够捕捉到时间尺度可达皮秒甚至飞秒，引起了研究人员的极大兴趣。而压缩超快摄影(CUP)、时间顺序全光学映射成像(STAMP)和单次拍照飞秒时间分辨光学偏振测量(SS-FTOP)只能捕捉动态场景的三维(x-y-t)信息。高光谱压缩超快摄影(HCUP)技术进一步提高了CUP的成像维度，能够捕捉动态场景的时空光谱四维(x,y,t,λ)信息，但缺乏空间深度的信息。因此，目前还没有一种成像光学技术能够在单次曝光中同时捕获动态场景的三维空间，一维时间，一维光谱信息。

发明内容

本发明针对现有的多维光学成像技术，突破了超快光学成像在探测维度上的局限性，提供了一种单次曝光时空频五维压缩超快摄影装置，实现了对动态场景的时空频五维成像。本发明装置包括主动照明系统，数据采集系统，同步控制系统以及数据重构系统。本发明的数据采集系统包含了立体成像系统以及高光谱成像系统。立体成像系统可以捕捉动态场景的三维立体信息，而高光谱成像系统可以捕捉动态场景的二维空间，时间，光谱信息。在数据采集过程中，同步控制系统会对CMOS相机以及两台条纹相机进行完全同步，确保每一个脉冲信号被三台相机同时捕捉。本发明通过数据采集系统获得两张包含三维空间以及空间时间光谱四维信息的积分图像，再由数据重构系统对两张积分图像单独进行处理，即利用全变分块匹配3D滤波算法(TV-BM3D)对积分图像进行重构及降噪处理。在重构过程中，利用CMOS相机采集到的时间积分图像对重构结果进行强度和空间限制，进一步提高重构结果的质量。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种时空频五维压缩超快摄影装置，该装置包括：

一个由飞秒激光器、第一反射镜、第二反射镜、工程散射器件构成的主动照明系统；