基于衍射光学元件的全光分幅成像技术 
下载： 1193次
1 引言
超快成像技术能够捕捉到皮秒(10-12 s)甚至飞秒(10-15 s)量级的超快现象,广泛应用于材料科学、非线性光学、等离子体物理学、弹道及射程研究、爆炸研究、冲击波研究等领域[1-5],这些领域都要求超快成像技术具有高时间和空间分辨能力。受CCD和CMOS(互补金属氧化物半导体)等电子器件响应速度的限制,传统电子高速成像技术获取二维图像的速度极限仅为10-7 s量级[6]。基于抽运探测法的超快成像技术的时间分辨率为一个探针光的脉冲宽度,缺点是只能拍摄可重复的现象[7-9]。条纹相机可单次拍摄得到多幅图像,时间分辨率在10-13 s量级,但只能实现一维成像[10]。超快压缩摄影(CUP)技术虽然可以实现时间分辨率为10-11 s量级的二维成像,但也是通过对一维条纹相机图像先进行空间解码,然后进行二维图像重组实现的[11]。
为了避免传统成像技术中光电转换的限制,人们提出了两种可拍摄非重复现象的全光二维成像技术,包括连续时间编码放大显微技术(STEAM)[12]和时序全光成像技术(STAMP)[13]。STEAM是一种利用单脉冲、单像素光电二极管进行全光二维连续成像的方法,其时间分辨率为163 ns,成像帧频由飞秒激光的重复频率决定。STAMP使用线性啁啾光脉冲作为信号光,利用波长色散器件实现脉冲展宽。不同波长的子光束携带不同时刻的目标二维图像信息,依次在CCD相机的不同位置成像。为实现不同波长的空间分离,需特制复杂的潜望镜分幅结构,由于结构加工困难,目前仅能实现6分幅。为实现STAMP总幅数的灵活扩展,Suzuki等[14]基于光谱滤波(SF)技术提出了SF-STAMP,用衍射光学元件(DOE)实现了探测光的空间分束,子光束数量即为系统分幅数,并用窄带滤波片(BPF)对每个子光束进行光谱滤波。每个子光束相对BPF的入射角不同,导致BPF滤出的光束波长也不相同,不同波长携带了目标不同时刻的图像信息。Suzuki等[15-18]研究的SF-STAMP可实现785~825 nm波长范围内的25分幅成像,时间分辨率为133 fs。
本文使用的实验系统为基于DOE搭建的全光分幅成像系统。传统的DOE衍射阵列大多为正方形阵列,无论在边长方向还是在对角线方向得到的阵列都是轴对称的,与BPF配合使用时,为了使每幅子图像的成像波长不同(阵列子光束对BPF的入射角不同),不能简单地选择边长或对角线方向确定DOE和BPF的夹角,从而增加了结构设计和系统安装的难度。而矩形阵列的DOE在对角线上是阵列不对称的,可以更简单地实现阵列光束对BPF的不同入射角,从而改善常规正方形衍射器件在光路装调上的弊端,降低系统设计和组装的难度。将BPF设计为与传统全光分幅成像系统不同的角度可调节结构,使系统可以改变成像波段和波长差(帧间隔)。实验中使用近红外光源,在BPF倾角不同时实现不同波段的阵列分幅成像,完成波长信息的空间分离;同时从更多角度评价了系统的成像质量。此外,当光源为线性调频脉冲光时,配合色散装置,该成像系统可完成波长信息的时间分离,实现单脉冲超快成像。这表明全光分幅成像技术可用于冲击波传播、等离子物理、光化学和激光加工等领域超快现象的研究,具有广阔的发展前景。
2 基本原理
DOE为一个二维达曼光栅,符合光栅方程Λsin β=mλ,其中,Λ为光栅周期,β为衍射角度,λ为入射光的波长,m为衍射级次。由于DOE为二维光栅,在x轴和y轴方向上同时遵守光栅方程,衍射角度分别为βx和βy。在4×4阵列矩形分束DOE中,有效衍射级次设计为±1级和±3级,且+3级和+1级、+1级和-1级、-1级和-3级衍射光束之间的夹角近似相等,可称其为分束角θs(包括θsx和θsy);+3级与-3级之间的衍射夹角被称为全衍射角θfx和θfy;二维衍射中的最大衍射角θmax为衍射阵列对角线上两端光束的夹角,即+3、+3级和-3、-3级(或+3、-3级和-3、+3级)衍射光束的夹角,如
图 1. 分幅滤波示意图。(a) DOE的分幅角度;(b)帧间隔;(c) BPF滤波
Fig. 1. Schematic diagram of framing filtering. (a) Framing angle of DOE; (b) frame interval; (c) BPF filtering
式中,λθ为光通过BPF后的光束波长,λ0为BPF的中心波长,neff为BPF的等效折射率。可通过旋转BPF改变阵列光的入射角和传输波长。如
系统的光路图如
CCD接收镜头用于将分幅后的阵列子光束同时成像在整个系统像面CCD感光芯片的不同位置上,即在1幅图像上获得由16幅图像组成的阵列图像。DOE位于CCD接收镜头的前焦面,CCD感光芯片位于CCD接收镜头的后焦面。
3 实验装置及结果
3.1 实验装置
分幅滤波系统包括DOE和BPF两个主要器件,可将DOE看作一个二维衍射光栅,用于将探针光在空间中分束成4×4矩形阵列。每个子光束以不同入射角照射到具有一定倾斜角度的BPF上。BPF对不同入射角度的子光束具有波长选择透过性,可从宽带光束中滤出多个中心波长不同的窄带光谱。
成像接收系统为一个CCD接收镜头,用于将分幅出的4×4阵列窄带光束同时成像在探测器CCD感光芯片的不同位置上。该系统中,准直光由分幅系统中的DOE(HOLO/OR MS-325-800-Y-A)产生4×4阵列光束,且衍射分束角θsx=3.82°,θsy=2.87°(测试光在波长为800 nm处)。由DOE衍射的阵列光经过中心波长为830 nm的BPF(IRIDIAN ZX000167)实现空间分离,其中,BPF的光谱带宽为2.2 nm,透过率大于90%。最后由焦距为25 mm的接收镜头在CCD探测器(海康威视DS-2CD2820F)上进行成像。用上述分幅成像系统进行成像实验,分幅成像系统的模型如
实验发现,杂散光的存在会影响CCD相机对近红外波段的采集,在系统结构中进行光路封闭,可有效遮挡可见光的杂散辐射;同时在光路中采用可见光截止滤光片,以消除可见光波段的杂散辐射对分幅成像的影响。
3.2 实验结果
3.2.1 分幅成像波长与帧间隔
实验选用的DOE器件最大全衍射角θmax(2α)为定值,当BPF所在平面相对于DOE所在平面的倾斜角θ为30°时,边缘光束的入射角θ-α和θ+α分别为23.17°和37.08°。计算出DOE衍射的16个子光束相对于倾斜BPF的入射角及波长(neff为1.88),并测出实际波长,结果如
由
表 1. BPF倾角为30°时的窄带光谱参数
Table 1. Narrowband spectrum parameter when BPF angle is 30°
|
图 4. 不同θ时的窄带光谱和成像阵列图。(a) θ=20°;(b) θ=25°;(c) θ=30°;(d) θ=35°;(e) θ=40°
Fig. 4. Narrow band spectra and imaging array diagrams at different θ. (a) θ=20°; (b) θ=25°; (c) θ=30°; (d) θ=35°; (e) θ=40°
当BPF的倾角为20°时,阵列成像光中的最大中心波长为823.1 nm,最小中心波长为802.4 nm,相邻窄带光谱的平均中心波长差为1.29 nm,波长分辨率(平均帧间隔)也为1.29 nm,此时各图像的中心波长透过率较高且接近,成像效果相对最优;当BPF的倾角为25°时,最大中心波长为817.1 nm,最小中心波长为793.1 nm,波长分辨率为1.50 nm,此时各图像中心波长透过率随波长的减小而减小,但差值不大,成像效果较优;当BPF的倾角为30°时,最大中心波长为810.5 nm,最小中心波长为782.1 nm,波长分辨率为1.78 nm,此时各图像的中心波长透过率随波长的减小而减小,且差值明显,但成像效果仍能得到保障;当BPF的倾角为35°时,最大中心波长为801.3 nm,最小中心波长为769.5 nm,波长分辨率为1.99 nm,此时各图像中心波长的透过率随波长的减小而减小,且差值略大,在光源足够明亮的情况下,仍能得到较好的成像结果;当BPF的倾角为40°时,最大中心波长为791.5 nm,最小中心波长为757.4 nm,波长分辨率为2.13 nm,此时光谱仪探测到的光谱信号中有4个短波光谱信号,即
图 5. 成像最小中心波长、最大中心波长和帧间隔与BPF倾角的关系
Fig. 5. Relationship between minimum center wavelength, maximum center wavelength, frame interval and dip angles of BPF
在成像结果中,除了16幅阵列图像,中心还有1幅稍暗的图像,原因是BPF器件不能完全滤除零级衍射光,但对其他16幅阵列图像没有任何影响。此外,在窄带光谱曲线图中,波长小于800 nm的信号波长越小,透过的光信号越弱,原因是BPF器件在正入射时对830 nm处的波长透过率最高,在830 nm附近的光信号较强,远离一定范围后的波长透过率越低、信号越弱。因此,在BPF倾角最小(θ=20°)时,整体光信号最强。
3.2.2 幅间非均匀性和幅内非均匀性
在BPF与DOE的夹角为30°时,分析了系统成像的幅间非均匀性和幅内非均匀性。用高速摄像机采集的图像如
图 6. 辐射均匀度测试图。(a)幅间均匀度;(b)幅内均匀度
Fig. 6. Test chart of radiation uniformity. (a) Inter-frame uniformity; (b) intra-frame uniformity
表 2. 灰度平均值
Table 2. Average of gray
|
计算得到图像的幅间非均匀性相对标准偏差为7.4%,这表明该全光分幅成像系统的成像幅间均匀性良好。为了分析图像的幅内均匀性,选取其中1幅子图像,并在图像上选取如
用图像上各面元灰度之间的最大偏差与9个面元灰度均值比的一半作为该分幅图像的非均匀性值ε,可表示为[19,20]
式中,Vmax=max(Vj),Vmin=min(Vj),j=0,1,…,8,Vmax、Vmin分别为图像上任意点上像元的最大、最小强度值,
表 3. 单幅图像非均匀性
Table 3. Non-uniformity of single imageunit: %
|
3.2.3 光学传递函数
在BPF与DOE夹角为30°的情况下,以波长为(808±10) nm的激光为光源,通过刀口法对系统成像的光学传递函数进行分析。
图 7. 分幅系统不同衍射级次子图像的MTF曲线
Fig. 7. MTF curves of sub-images at different diffraction orders in framing imaging system
以衍射级次(-3,-1)子图像的MTF曲线为例,全光分幅成像系统在35 lp/mm时MTF为0.991,即在该分辨率下系统的光学成像性能非常优秀。此外,当系统的MTF为0.95,0.90,0.85,0.80时,对应的空间分辨率分别为89,121,163,184 lp/mm,这表明衍射级次为(-3,-1)的子图像在极限空间频率内具有良好的成像性能。
不同衍射级次子图像的MTF特殊点取值如
表 4. 不同衍射级次子图像MTF
Table 4. MTF of sub-images at different diffraction orders
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||
4 结论
基于衍射光学元件实现了16分幅成像,并通过实验验证了所设计的空间分幅成像系统可实现波长上的展开和空间上的分离成像。系统中BPF的安装设计为角度可调节结构,通过旋转BPF、改变BPF与DOE器件的夹角,改变阵列成像的波长范围和波长差(帧间隔),得到了五组4×4阵列的16分幅成像。分析了系统成像的非均匀性(包括幅间非均匀性和幅内非均匀性)和光学传递函数,实验结果表明,图像幅间非均匀性相对标准偏差为7.4%,幅内非均匀性的均值为2.83%,最大值为9.90%,最小值为1.10%;且在系统极限空间频率内,MTF均大于0.7,表明该分幅成像系统的成像性质优良,可满足科研需要。此外,可以通过在DOE器件前加分束棱镜,扩展整个系统的分幅数量。当光源利用线性调频脉冲时,便可将不同波长的光信号转换为不同时刻的光信号,实现单脉冲超快成像。
[1] Sakakura M, Terazima M, Shimotsuma Y, et al. Observation of pressure wave generated by focusing a femtosecond laser pulse inside a glass[J]. Optics Express, 2007, 15(9): 5674-5686.
[3] Šiaulys N, Melninkaitis A, Dubietis A. In situ study of two interacting femtosecond filaments in sapphire[J]. Optics Letters, 2015, 40(10): 2285-2288.
[4] Gariepy G. Krstaji N, Henderson R, et al. Single-photon sensitive light-in-fight imaging[J]. Nature Communications, 2015, 6: 6021.
[5] 蔡厚智, 刘进元, 付文勇, 等. 三通道门控分幅相机及其触发晃动测量[J]. 光学学报, 2018, 38(2): 0204001.
[6] Etoh T G. Vo le C, Hashishin Y, et al. Evolution of ultra-high-speed CCD imagers[J]. Plasma and Fusion Research, 2007, 2: S1021.
[10] Hamamatsu Photonics K K, Guide to streak cameras[EB/OL]. [2020-07-01].http:∥www.hamamatsu.com/resources/pdf/sys/SHSS0006E_STREAK.pdf.
[14] Suzuki T, Isa F, Fujii L, et al. Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) utilizing spectral filtering[J]. Optics Express, 2015, 23(23): 30512-30522.
[16] SuzukiT, HidaR, IsaF, et al. Single-shot multispectral imaging and ultrafast 2D-imaging by sequentially timed all-optical mapping photography utilizing spectral filtering (sf-stamp) system[C]∥Imaging and Applied Optics 2016, July 25-28, 2016, Heidelberg, Germany. Washington, D.C.: OSA, 2016: IW1E. 3.
[17] HidaR, SuzukiT, IsaF, et al. Multispectral imaging using sequentially timed all-optical mapping photography utilizing spectral filtering (sf-stamp) system[C]∥ Conference on Lasers and Electro-Optics: Science & Innovations 2016, June 5-10, 2016, San Jose, CA, USA. Washington, D.C.: OSA, 2016: SM2I. 4.
[18] SuzukiT, HidaR, UedaR, et al. Single-shot ultrafast 2D-burst imaging by stamp utilizing spectral filtering (sf-stamp)[C]∥International Conference on Ultrafast Phenomena, July 17-22, 2016, Santa Fe, New Mexico. Washington, D.C.: OSA, 2016: UTh4A. 18.
[19] 李卓, 李平, 单伟. 红外动态场景测试评价技术[J]. 红外与激光工程, 2008, 37(3): 406-410.
[20] 李平. 红外动态场景生成器性能测试技术研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2010: 40- 41.
LiP. Research of dynamic infrared scene generator performance test technology[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2010: 40- 41.
李彦锦, 周朗, 李卓, 施蕊, 王欣, 杨苏辉. 基于衍射光学元件的全光分幅成像技术[J]. 光学学报, 2021, 41(2): 0232001. Yanjin Li, Lang Zhou, Zhuo Li, Rui Shi, Xin Wang, Suhui Yang. All-Optical Framing Imaging Technology Based on Diffractive Optical Elements[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(2): 0232001.
PDF全文
