[发明专利]一种基于方向滤波的飞秒光克尔门选通成像装置及方法

说明书

本发明提供一种基于方向滤波的飞秒光克尔门选通成像装置及方法。该成像装置的光路分为探测光路和泵浦光路。探测光路上依次设有待测物体，第一凸透镜，由起偏器、光克尔介质和检偏器组成的光克尔门，第二凸透镜及CCD；且满足4f系统；泵浦光路上依次设有光学延时线、半波片和空间整形装置。该成像方法为：飞秒脉冲激光经分束器后变成两束，飞秒探测脉冲光经过待测物体，再被聚焦入射到光克尔介质内部；飞秒泵浦脉冲光开启光克尔门后瞬时选通飞秒探测脉冲光中携带待测物体信息的成分，最终到达CCD，获得高对比度的待测物体图像。本发明具有成本低廉、光路简单且便于调节、可以同时实现光克尔门选通和待测物体特征结构的识别。

技术领域

本发明属于超快成像与测量技术领域，具体涉及一种基于方向滤波的飞秒光克尔门选通成像装置及方法。

背景技术

发展超快速成像与测量技术，对于研究高速碰撞、爆炸过程、高压放电等瞬态过程有着十分重要的应用价值。传统光电技术难以探测这些超快过程，基于飞秒激光的超快速成像与测量技术，可以实现飞秒量级的时间分辨率，因而具有很重要的发展前景和意义。

光克尔门是一种基于光克尔效应的全光开关，具有可达飞秒量级的时间分辨率、操作方便和光子选通效率高等优点。基于光克尔门选通弹道光的成像技术，可以实现极高时间分辨的瞬态成像，在生物组织、超高速喷雾流场等极端散射环境中的目标物体成像，以及微纳结构瞬态成像、超快荧光时间分辨成像等领域有十分广泛的应用。但是，常规的光克尔门选通弹道光成像技术是一种针对观测视野内全场成像技术，对目标结构复杂的区域，很难直接有效提取目标物体中的特定结构信息，特别是当目标物体不同结构区域强度信息差异很大时，该方法更难以识别目标物体中的强度较弱的特定结构。

方向滤波技术是一种基于傅里叶光学理论的信息光学处理技术，具体而言，是一种特殊的空间滤波技术。在信息光学处理技术中，所谓空间滤波，是指在光学系统频谱面上放置适当的滤波器，以改变光波的频谱结构，从而实现特定需求的图像增强、特定目标识别等光学信息处理效果。方向滤波技术利用目标物体线状结构与其空间功率谱扩展方向正交，并且物体图像的线状结构越密集，其功率谱扩展越大的特性，通过对特定方向上目标物体的空间频谱的选取、增强(弱)操作，实现目标物体中特定结构的识别。在缺陷检测、指纹对比度增强、活动断层分析等领域具有重要的应用价值。然而，传统的方向滤波技术不能实现高时间分辨率的物体成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于方向滤波的飞秒光克尔门选通成像装置及方法，能够提取待测物体的特征结构或者实现图像特定方向的成像对比度的增强。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于方向滤波的飞秒光克尔门选通成像装置，包括飞秒激光器和分束片，飞秒激光器的出射光路被分束片分为两路，一束为探测光路，另一束为泵浦光路，探测光路中的光为飞秒探测脉冲光，泵浦光路中的光为飞秒泵浦脉冲光；探测光路上依次设有待测物体、第一凸透镜、起偏器、光克尔介质、检偏器、第二凸透镜及CCD，且满足4f系统，其中起偏器、光克尔介质和检偏器构成光克尔门，且光克尔介质位于4f系统的频谱面上；泵浦光路上依次设有用于调节飞秒泵浦脉冲光的光程的光学延时线、用于调节飞秒泵浦脉冲光的偏振方向的半波片、以及用于改变飞秒泵浦脉冲光的光斑形状的空间整形装置，且飞秒泵浦脉冲光与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。

所述的待测物体放置在第一凸透镜的前焦面上，光克尔介质放置在第一凸透镜及空间整形装置的后焦面上，并同时位于第二凸透镜的前焦面上，CCD放置在第二凸透镜的后焦面上。

所述的飞秒激光器输出的重复频率为1kHz；

所述的分束片的分光比为1:(2～4)，其中光强较大的一束作为飞秒泵浦脉冲光。

所述的光学延时线的最小光程改变量为10～100fs；

所述的半波片为零级波片，其材质为BK玻璃或石英。