基於全光時域串列編碼的快速成像技術的研究

《基於全光時域串列編碼的快速成像技術的研究》是依託北京交通大學，由譚中偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於全光時域串列編碼的快速成像技術的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：譚中偉
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

全光的圖像串列時域編碼技術，是通過圖像的光譜編碼和基於光纖色散的光學傅立葉變換使光信號每一個時隙對應一個像素點，然後使用高速光電檢測器和數據採集設備將其轉化為圖像數據信號。由於該技術突破了CCD等陣列器件對成像速度的制約，因此，可以有效提高成像的速度，使用該技術的高速攝像機已經達到每秒鐘6百萬張照片的速度。本課題的主要目標是研究基於全光串列時域編碼的快速成像技術，針對該技術目前存在的主要問題，將主要開展兩個方面的研究，1、通過對光纖的線性色散、光纖放大器的均衡和噪聲控制等技術的研究，提高STEAM系統的解析度和成像質量；2、研究非光纖的大色散延時光器件和非色散延時的光器件，使其光譜從通信波長擴展到可見波長範圍，從顯微鏡等微觀成像擴展到巨觀物體的成像。本課題的研究成功，將極大地提高我國在快速成像領域的技術水平，推動生命科學、醫療技術和化學等相關學科的快速發展。

結題摘要

全光的圖像串列時域編碼技術，是通過圖像的光譜編碼和基於光纖色散的光學傅立葉變換使光信號每一個時隙對應一個像素點，然後使用高速光電檢測器和數據採集設備將其轉化為圖像數據信號。目前已有的技術是基於光纖的色散延時來進行高速時域串列編碼，但是，由於光纖的色散很小，為了產生足夠的色散量，系統中一般需要使用較長的光纖和寬頻的光源，然而，較長的光纖會導致系統體積較大，而且需要使用額外的放大器來補償光纖引入的損耗，成本較高；而且，色度色散的色散量與頻寬成正比，為了保證一定的色散量，要求光源的頻寬很大。本課題主要利用多模光纖的模式色散也可以用來研製全光的信息處理技術。與色度色散相比，模式色散具有色散量大的優點，而且模式色散對光源頻寬和波長相關性較弱。 我們首先實現了基於模式色散的積分器，採用模式色散來產生延時，那么所需光纖的長度將大為減少，同時，積分器將具有波長無關性，對光源的頻寬也沒有要求，這將促進全光積分器的套用以及將其用於與其他光邏輯器件共同完成更為複雜的邏輯功能。而為了實現成像功能，主要難點就是對空間中不同模式的激勵。由於缺少空間光調製器，我們只能使用多模光纖的一維激勵，該方法比較簡單，僅使用普通的模板即可實現，但解析度較差。雖然受到實驗條件的制約有些實驗結果的指標並不理想，但基本原理得到了驗證，並實現了全光積分和全光相關器這兩種不同的套用。我們使用50米的數值孔徑為0.37的多模光纖，實現了超過1.5ns的延時，其效率遠遠大於光纖的色度色散，而且，該器件與光源的波長和頻寬都無關。與積分器不同的是，相關器的衝擊回響函式不再是方形，而是需要進行卷積或者是相關運算的函式，這個函式要通過在空間上加上強度掩模板來改變模式的激勵條件來實現。 同時，為了實現高精度的二維光譜成像，我們自製了虛像相位陣列，並進行了相關實驗，發表了相關論文。我們還對二維光譜成像在大範圍空間的套用進行了研究並申請了相關的專利。最後，為了完善該研究，對空間散射光的收集等問題進行了仿真和實驗研究。