基于全光时域串行编码的快速成像技术的研究

全光的图像串行时域编码技术，是通过图像的光谱编码和基于光纤色散的光学傅里叶变换使光信号每一个时隙对应一个像素点，然后使用高速光电检测器和数据采集设备将其转化为图像数据信号。由于该技术突破了CCD等阵列器件对成像速度的制约，因此，可以有效提高成像的速度，使用该技术的高速摄像机已经达到每秒钟6百万张照片的速度。本课题的主要目标是研究基于全光串行时域编码的快速成像技术，针对该技术目前存在的主要问题，将主要开展两个方面的研究，1、通过对光纤的线性色散、光纤放大器的均衡和噪声控制等技术的研究，提高STEAM系统的分辨率和成像质量；2、研究非光纤的大色散延时光器件和非色散延时的光器件，使其光谱从通信波长扩展到可见波长范围，从显微镜等微观成像扩展到宏观物体的成像。本课题的研究成功，将极大地提高我国在快速成像领域的技术水平，推动生命科学、医疗技术和化学等相关学科的快速发展。

全光的图像串行时域编码技术，是通过图像的光谱编码和基于光纤色散的光学傅里叶变换使光信号每一个时隙对应一个像素点，然后使用高速光电检测器和数据采集设备将其转化为图像数据信号。目前已有的技术是基于光纤的色散延时来进行高速时域串行编码，但是，由于光纤的色散很小，为了产生足够的色散量，系统中一般需要使用较长的光纤和宽带的光源，然而，较长的光纤会导致系统体积较大，而且需要使用额外的放大器来补偿光纤引入的损耗，成本较高；而且，色度色散的色散量与带宽成正比，为了保证一定的色散量，要求光源的带宽很大。本课题主要利用多模光纤的模式色散也可以用来研制全光的信息处理技术。与色度色散相比，模式色散具有色散量大的优点，而且模式色散对光源带宽和波长相关性较弱。.我们首先实现了基于模式色散的积分器，采用模式色散来产生延时，那么所需光纤的长度将大为减少，同时，积分器将具有波长无关性，对光源的带宽也没有要求，这将促进全光积分器的应用以及将其用于与其他光逻辑器件共同完成更为复杂的逻辑功能。而为了实现成像功能，主要难点就是对空间中不同模式的激励。由于缺少空间光调制器，我们只能使用多模光纤的一维激励，该方法比较简单，仅使用普通的模板即可实现，但分辨率较差。虽然受到实验条件的制约有些实验结果的指标并不理想，但基本原理得到了验证，并实现了全光积分和全光相关器这两种不同的应用。我们使用50米的数值孔径为0.37的多模光纤，实现了超过1.5ns的延时，其效率远远大于光纤的色度色散，而且，该器件与光源的波长和带宽都无关。与积分器不同的是，相关器的冲击响应函数不再是方形，而是需要进行卷积或者是相关运算的函数，这个函数要通过在空间上加上强度掩模板来改变模式的激励条件来实现。.同时，为了实现高精度的二维光谱成像，我们自制了虚像相位阵列，并进行了相关实验，发表了相关论文。我们还对二维光谱成像在大范围空间的应用进行了研究并申请了相关的专利。最后，为了完善该研究，对空间散射光的收集等问题进行了仿真和实验研究。.