空间分辨率优化分布的光学时域延展单像素成像系统的研究

Ultrafast real-time optical imaging is a powerful tool for observing fast dynamic phenomena, for instance, physical process, microfluidics, chemical reaction and cell evolution. Nevertheless, traditional CCD (Charge-coupled device) and their complementary CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) counterparts are incapable of capturing fast dynamical processes with high sensitivity and resolution. As a newly emerging technique for ultrafast imaging, photonic time stretch image (PTSI) utilizes the procedures of spatial spectrum coding, dispersive Fourier transformation and temporal coding to perform the images. The information of object is normally coded in the time serials of light pulse and then is captured by a high-speed photodiode and a wide bandwidth oscilloscope, the imaging frame of which could beyond 100 MHz. However, huge data generated by the ultrafast imaging system puts forward great challenges to sampling and storage. High-priced sampling and storage devices not only greatly increases the cost of PSTI experiment, but also largely restricts the miniaturization and practicality of the PSTI system. Based on the principle of time stretch imaging, we will firstly establish an appropriate theoretical model to describe the relationship between image resolution and experimental parameters of the system. In the project, the key procedure is effectively compressing the total data of the image in view of non-uniform sampling method, which is based on the spatial distribution of the object and modern optical design method. The research achievements will offer strong support to break the technical bottleneck of data sampling and storage for ultrafast PTSI systems.

超高速实时成像是观测和研究瞬时物理现象、化学反应、细胞演化等不可或缺的工具。作为最常用的成像器件，CCD和CMOS成像速率通常限制于1kHz，远不能满足高速实时成像的需求。光学时域延展单像素成像是超高速成像的新兴技术手段，该方法利用空间频谱编码、色散傅里叶变换和时序编码，将被测目标的空间信息编码于时域延展光脉冲的时间序列上，并通过光电二极管探测和示波器采样并形成图像，成像速率可大于100MHz。然而超高速成像产生的大量数据对于采集和存储提出了巨大挑战，昂贵的采集和存储设备都极大的提高了实验成本，也很大程度上限制了光学时域延展成像系统的小型化和实用化。本项目拟基于光学时域延展成像的原理，建立实验系统参数与成像分辨率之间的关联，结合现代光学设计方法并根据目标的信息分布优化成像分辨率，利用非等间隔采样的方法有效压缩总数据量，为突破高速成像数据采集和传输的瓶颈提供支持。

超高速实时成像是观测瞬态物理、化学等现象的重要工具，在工程科学、生物检测、医学诊断等领域有广阔的应用前景。光学时域延展单像素成像是超高速成像的新兴技术手段，该方法利用空间频谱编码、色散傅里叶变换和时序编码，将被测目标的空间信息编码于时域延展光脉冲的时间序列上，并通过光电二极管探测和示波器采样并形成图像。近年来，光学时域延展高速成像已成为国内外的研究热点，但是在系统工程化、空间采样优化、新型结构实现等方面仍有诸多技术亟待突破。. 项目基于空间频谱编码和光纤色散傅里叶变换过程，建立了描述光学时域延展成像物理过程的适用理论模型，获取了时间分辨率和空间分辨率与系统物理参量之间的内在联系。同时，基于光学设计等工程化手段，优化了光学时域延展超快成像的系统结构，设计了准直镜、物镜等光学组件，提高了整个系统的耦合效率和空间分辨率。搭建了基于4f系统的空间频谱编码光学成像系统，研究了非等间隔空间采样下的成像机理和实现方法，研究了降低成像采集率和数据存储空间的方案，研究了小波变换等图像恢复的可行性算法。另一方面，研究了基于双光栅的光学时域延展成像系统、基于双棱镜的光学时域延展成像系统、基于透明介质的光学时域延展成像系统、光学时域延展内窥式光学成像系统等新型超快成像结构，建立了成像参数与系统结构之间的关联，并分析了各系统时间分辨率和空间分辨率的主要影响因素。项目的研究成果对于光学时域延展成像技术在高速摄影、瞬时观测等领域的应用与发展具有理论和工程化意义。