基于微波光子信号调制的结构光照明成像

This project will investigate structure illumination imaging based on microwave photonics signal modulation, to overcome the light generating mechanism of the speed limit of the current structure, provides a new solution for the structured illumination of high speed and high resolution. This technology is combined with RF signal modulation and time-stretch technique of microwave photonics. The temporal information mapping to the spectrum of optical pulses at a high speed, after corresponding chromatic dispersion to form a new structure of structured light generating mechanism. This technique avoids the use of traditional grating devices, spatial light modulator and digital-mirror-devices, which have either fixed structure or low speed mechanical structure. So that is can overcome the limitations on speed, and realize the spatial structure of light in the RF level (>MHz), which reaches unprecedented structured illumination modulation speed. Furthermore, based on the breakthrough in structure illumination speed, the project will also do the high-speed structured illumination imaging research with independent intellectual property rights, including the high-speed super-resolution imaging and high-speed 3D imaging. This project will increase temporal resolution of the traditional imaging systems, expand the application prospects, build structures for high speed optical imaging the platforms. This technique can be used in many areas including healthcare, industrial production, virtual reality, etc. This project will lay the technical foundation for future high-speed, high resolution, high precision imaging systems and applications.

本项目将研究基于微波光子调制的结构光照明成像技术，克服目前的结构光产生机制当中的速度限制，为高速高分辨的结构光照明成像提供一种新的解决方案。本技术结合微波光子学当中的射频信号调制与时域拉伸技术，将高速调制的时间信息映射到光脉冲的频谱上，再经过适当的色散器件形成全新的结构光产生机理。这种技术避免了利用传统光栅器件、空间光调制器和数字微镜阵列等固定结构或者机械结构的器件，克服了速度上的限制，可以实现空间结构光在射频级别（>MHz）的高速切换，达到前所未有的结构光调制速度。更进一步的，在结构光照明速度获得突破的基础上，本项目还将研究具有自主知识产权的高速结构光照明成像，包括高速结构光超分辨成像和高速结构光3D成像等，提升这些传统成像技术的时间分辨率，拓展应用前景，搭建高速结构光成像平台，可以用于医疗、工业生产、虚拟现实等多个领域，为未来高速、高分辨、高精度的成像提供强有力的技术支持。

本项目根据批准的任务书按照预定计划开展了基于微波光子调制的结构光照明成像技术及应用研究，目的是克服目前的结构光产生机制当中的速度限制，为高速高分辨的结构光照明成像提供一种新的解决方案。本技术结合微波光子学当中的射频信号调制与时域拉伸技术，将高速调制的时间信息映射到光脉冲的频谱上，再经过适当的色散器件形成全新的结构光产生机理。这种技术避免了利用传统光栅器件、空间光调制器和数字微镜阵列等固定结构或者机械结构的器件，克服了速度上的限制。在项目执行期内，研究了高速时频空映射波长扫描方案，实现了空间结构光产生速度达到50MHz，并通过高速时间和波长调制，获得了正弦结构和随机结构的照明光斑，实现空间结构光在射频级别的高速切换，达到前所未有的结构光调制速度。并且在结构光产生和照明系统中的关键器件，进行了光子集成化的研究，包括实现了目前最长的集成色散波导光栅，长度达到24cm，最大群时延超过2400ps，以及二维结构光束分配芯片，实现了扫描点数超过400。更进一步的，在结构光照明速度获得突破的基础上，本项目还对系统应用进行了深入研究。实现了时间编码三维成像，成像速度达到了50万帧/秒，成果被多家科技媒体报道。研制了超高速流式细胞成像仪器，提升了流式样本的检测通量，最高可以达到5千万帧/秒的成像速度，该技术获得201年中国光学工程学会技术发明一等奖及全国发明展览会金奖等多个奖项，并且通过成果转化催生了新的科技公司，可以用于医疗、工业生产、虚拟现实等多个领域，为未来高速、高分辨、高精度的成像提供强有力的技术支持。