多視場(chǎng)寬時(shí)域仿生極高速成像

朱啟凡，蔡懿，曾選科，龍虎，朱永樂(lè)，曾亮維，李景鎮(zhèn)，陸小微

（1 深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 深圳市微納光子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060）

（2 深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 光電子器件與系統(tǒng)教育部與廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060）

0 引言

極高速成像技術(shù)可以對(duì)皮秒及飛秒領(lǐng)域內(nèi)瞬態(tài)事件的動(dòng)態(tài)進(jìn)行記錄，為極端條件下的生物［1］、物理［2］、化學(xué)［3］等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的極高速成像采用重復(fù)測(cè)量的泵浦探針［4-5］可以獲得可重復(fù)事件的動(dòng)態(tài)，但對(duì)于非重復(fù)或隨機(jī)的瞬態(tài)事件，如飛秒激光加工［6］、激光損傷［7］等，必須要采用單次曝光的極高速成像技術(shù)。因此，對(duì)單次曝光的極高速成像技術(shù)的研究已成為研究熱點(diǎn)。

直接成像的極高速成像技術(shù)可以通過(guò)時(shí)序圖像的空間分離實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像的記錄，但存在探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題。啁啾脈沖技術(shù)廣泛應(yīng)用于直接成像技術(shù)中，利用光譜與時(shí)間的映射實(shí)現(xiàn)分幅，其成像的關(guān)鍵在于使不同光譜的圖像分離。時(shí)序全光映射技術(shù)（Sequentially Timed All-optical Mapping Photography，STAMP）［8-9］將啁啾脈沖技術(shù)引入極高速成像，通過(guò)反射鏡陣列和衍射光柵實(shí)現(xiàn)了時(shí)序圖像的空間分離。研究人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出基于光譜濾波的時(shí)序全光映射方法（Sequentially Timed All-optical Mapping Photography Utilizing Spectral Filtering，SF-STAMP）［10］和基于透鏡陣列的時(shí)序全光映射方法（Lens Array Sequential Timed All-optical Mapping Photography，LA-STAMP）［11］，通過(guò)衍射元件、微透鏡陣列等元件使時(shí)序圖像的空間分離結(jié)構(gòu)小型化。啁啾光譜映射超快成像（Chirped Spectral Mapping Ultrafast Photography，CSMUP）［12］采用高光譜探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了高分辨率成像，但攝影頻率低；全光網(wǎng)格超快成像（Ultrafast All-optical Photography with Raster Principle，OPR）技術(shù)［13］結(jié)合網(wǎng)格成像技術(shù)，充分利用像面實(shí)現(xiàn)了攝影頻率2×1012幀/s 的極高速成像。除了利用光譜空間分離以外，YEOLA S 采用反射鏡陣列［14］，利用空間角度分離時(shí)序圖像，但這種方法獲得的時(shí)序圖像具有不同角度的旋轉(zhuǎn)。ZENG X 提出的非線(xiàn)性光參量放大分幅成像技術(shù)（Framing Imaging Based on Noncollinear Optical Parametric Amplification，F(xiàn)INCOPA）［15］，結(jié)合光參量放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了83 lp/mm 的高空間分辨率和15×1012幀/s 的攝影頻率，但每增加一幅圖像需要增加一支光路和探測(cè)，使得系統(tǒng)龐大。

極高速成像與算法相結(jié)合，可以將時(shí)序動(dòng)態(tài)壓縮在一幅圖像上再通過(guò)算法求解多幅時(shí)序圖像，極大地簡(jiǎn)化了探測(cè)結(jié)構(gòu)，但會(huì)存在分辨率下降、視場(chǎng)受限等問(wèn)題。結(jié)合壓縮感知算法的極高速成像（Compressed Ultrafast Photography，CUP）［16-19］，可以在單次成像中獲得數(shù)百幅時(shí)序圖像，但存在分辨率低、有效畫(huà)幅有限且復(fù)原圖像存在誤差的問(wèn)題。采用空間角分復(fù)用算法和全息技術(shù)的極高速成像，是一種穩(wěn)定和準(zhǔn)確的時(shí)序圖像成像方法?？臻g角分復(fù)用通常利用不同角度的參考光形成不同方向的干涉條紋，實(shí)現(xiàn)全息極高速成像［20-22］。之后，HUANG H 利用光柵的角色散特性［23］，解決了由于飛秒脈沖脈寬短限制干涉條紋產(chǎn)生區(qū)域的問(wèn)題。但這些全息方法大多采用分光路的方法產(chǎn)生多個(gè)時(shí)序脈沖，因此其分幅系統(tǒng)龐大。MOON J 提出了顯微極高速成像技術(shù)（Single-shot Imaging of Microscopic Dynamic Scenes，SSIMDS），利用空間光調(diào)制器在4f系統(tǒng)調(diào)制面產(chǎn)生點(diǎn)陣［24］，并用臺(tái)階對(duì)點(diǎn)陣進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，使全息分幅結(jié)構(gòu)緊湊，然而這種方法由于臺(tái)階結(jié)構(gòu)改變光程，限制了視場(chǎng)并且只能應(yīng)用于飛秒時(shí)間領(lǐng)域。類(lèi)似地，采用方向不同的光柵對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的圖像并通過(guò)頻率識(shí)別算法獲取多幅圖像的方法（Frequency Algorithm For Multiple Exposures，F(xiàn)RAME）［25］，同樣需要多個(gè)支路對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的圖像，增加了分幅光路的元件數(shù)量和體積。

本文以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、多視場(chǎng)、寬時(shí)間尺度為目標(biāo)，提出了仿生多視場(chǎng)極高速成像。以條紋結(jié)構(gòu)光照明與空間角分復(fù)用作為極高速成像的分幅和探測(cè)基礎(chǔ)，使探測(cè)結(jié)構(gòu)緊湊；針對(duì)分幅延遲光路復(fù)雜的問(wèn)題，仿生螳螂蝦小眼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間圖像分幅結(jié)構(gòu)集成化；仿生螳螂蝦復(fù)眼結(jié)構(gòu)，突破超短脈沖相干區(qū)域受限。分離成像照明光路和時(shí)間延遲光路，擴(kuò)展動(dòng)態(tài)事件記錄的時(shí)間尺度。從而實(shí)現(xiàn)一種集成化、高精度、多視場(chǎng)及寬時(shí)域的單次曝光極高速成像方法。

1 原理

1.1 螳螂蝦復(fù)眼和小眼結(jié)構(gòu)

螳螂蝦小眼（Ommatidium）如圖1（a），從外至內(nèi)依次由角膜（Cornea）、晶錐（Crystalline cone）和感桿束（Rhabdome）構(gòu)成，角膜和晶錐用于將外界光匯聚到感桿束上，感桿束用于探測(cè)和傳感光信息。感桿束由視網(wǎng)膜細(xì)胞R1～R7 構(gòu)成，其中心的方形區(qū)域由各個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞的微絨毛陣列（Microvilli array）構(gòu)成，其中心的微絨毛陣列呈正交排列，如圖1（c），微絨毛陣列由于其微絨毛排列特性及尺寸特性可以在單位面積內(nèi)獲得偏振和光譜信息。螳螂蝦復(fù)眼（Compound eyes）如圖1（b），由小眼并排排列而成，可以擴(kuò)展螳螂蝦的視野。螳螂蝦眼的結(jié)構(gòu)形態(tài)特性以及功能特性為極高速成像系統(tǒng)提供了新的思路和靈感。

圖1 螳螂蝦小眼及復(fù)眼結(jié)構(gòu)Fig.1 Stuctures of mantis shrimps' ommatidium and rhabdome

1.2 成像原理

螳螂蝦微絨毛陣列結(jié)構(gòu)，其特性在于利用微絨毛陣列中微絨毛排列方向和尺寸特性，可以實(shí)現(xiàn)在單位面積內(nèi)對(duì)多種功能探測(cè)，如果可以將多幅時(shí)序圖像壓縮在一幅圖像上進(jìn)行探測(cè)，再通過(guò)算法解碼將會(huì)極大縮小探測(cè)結(jié)構(gòu)的體積。因此，采用空間角分復(fù)用即不同方向和間距的條紋圖像模擬微絨毛陣列去壓縮時(shí)序圖像，即不同時(shí)序圖像具有不同頻率和方向的條紋圖像疊加成像后在頻域進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)時(shí)序圖像的還原。

仿生極高速成像原理如圖2，產(chǎn)生一組時(shí)序超短脈沖，相鄰脈沖的時(shí)間間距大于時(shí)序脈沖的脈寬，不同的子脈沖在照明物體時(shí)具有不同方向或者頻率的條紋圖案，如圖2（a）（左側(cè)為時(shí)序脈沖的圖案，右側(cè)為對(duì)應(yīng)照明時(shí)刻的動(dòng)態(tài)事件）。探測(cè)器在單次曝光中，攜帶目標(biāo)事件信息的時(shí)序脈沖將會(huì)在探測(cè)器上疊加成像，如圖2（b）。對(duì)圖2（b）獲得的圖片進(jìn)行傅里葉變換至頻域，其頻域圖像如圖2（c），具有不同條紋方向的脈沖會(huì)呈現(xiàn)為以原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)并垂直于條紋方向的兩個(gè)光斑，對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行傅里葉逆變換既可以獲得對(duì)應(yīng)時(shí)刻圖像，如圖2（c）中彩色虛線(xiàn)框中所示，從而獲得動(dòng)態(tài)事件不同時(shí)刻的圖像信息。

圖2 仿生極高速成像原理Fig.2 The principle of the bionic ultrafast imaging

1.3 仿生極高速成像系統(tǒng)

仿生極高速成像系統(tǒng)光路如圖3（a），入射光采用飛秒或者皮秒脈沖。入射脈沖經(jīng)過(guò)分光棱鏡（BS）被分為兩束：一束光通過(guò)反射鏡M1和M2用于激發(fā)和同步超快事件（藍(lán)線(xiàn)），另一束光為探測(cè)光（紅線(xiàn)）。探測(cè)光先通過(guò)延遲單元（Delay unit）產(chǎn)生時(shí)序脈沖序列，再通過(guò)結(jié)構(gòu)光照明單元（Structured illumination unit）將帶有條紋圖案的時(shí)序脈沖照明在動(dòng)態(tài)事件（Dynamic event），最后通過(guò)成像透鏡或透鏡組（Limaging）在探測(cè)器表面疊加成像，而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)光照明單元和延遲單元。

1.3.1 仿生小眼極高速成像系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)光照明單元仿生了螳螂蝦角膜與晶錐構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)中透鏡陣列仿生了多瓣的晶錐、匯聚透鏡仿生了角膜，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)脈沖在空間上進(jìn)行分割為多個(gè)空間獨(dú)立的脈沖并通過(guò)匯聚透鏡在照明面重合，為產(chǎn)生時(shí)序結(jié)構(gòu)光脈沖提供了可能。因此建立了如圖3（b）所示的仿生小眼結(jié)構(gòu)光照明結(jié)構(gòu)，平行光入射至透鏡陣列（ML）實(shí)現(xiàn)脈沖分割，通過(guò)匯聚透鏡（L）可以在其焦平面完全重合，此時(shí)照明區(qū)域是邊長(zhǎng)為Devent的正方形區(qū)域。

式中，Devents是照明事件視場(chǎng)大小，Dm和fm為透鏡陣列子透鏡尺寸和焦距，f為匯聚透鏡LF的焦距。圖3（b）中l(wèi)表示匯聚透鏡與透鏡陣列焦點(diǎn)之間的間距，從式（1）中可以看出，只要調(diào)整匯聚透鏡LF的焦距或改變透鏡陣列子透鏡的尺寸，便可以實(shí)現(xiàn)在LF后焦面不同視場(chǎng)大小的照明。從圖3（b）中可以看出，入射光經(jīng)過(guò)且僅經(jīng)過(guò)透鏡陣列中任意兩個(gè)子透鏡既可以在LF后焦面形成干涉條紋，干涉條紋的方向垂直于兩個(gè)微透鏡中心連線(xiàn)，當(dāng)一組子透鏡中心距為Di時(shí)，條紋間距滿(mǎn)足

圖3 仿生極高速成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the bionic ultrafast imaging system

延遲單元由反射鏡陣列（ML）構(gòu)成，而反射鏡陣列位于臺(tái)階陣列之上。臺(tái)階反射鏡陣列在空間上將一個(gè)脈沖分割為多對(duì)先后不同的脈沖，這些脈沖與透鏡陣列中的子透鏡一一對(duì)應(yīng)，使每組通過(guò)子透鏡后在照射到照明面的時(shí)間不同，從而在照明面產(chǎn)生一系列空間位置相同但到達(dá)時(shí)刻不同的子脈沖。反射鏡陣列中高度分布如圖3（b）所示，以中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)反射鏡高度相同，相鄰高度反射鏡高度差相同，可得分幅時(shí)間為

式中，h為相鄰臺(tái)階的高度差，c為光速，要求分幅時(shí)間?t大于脈沖脈寬。此時(shí)，以中心對(duì)稱(chēng)的任意兩個(gè)子透鏡可以在照明面產(chǎn)生一組干涉條紋，條紋方向與子透鏡中心連線(xiàn)垂直，條紋頻域與子透鏡中心距成正比，從而實(shí)現(xiàn)具有不同結(jié)構(gòu)光圖案的時(shí)序脈沖序列對(duì)動(dòng)態(tài)事件進(jìn)行照明，再通過(guò)成像系統(tǒng)和探測(cè)器成像并解算獲得時(shí)序圖像。

1.3.2 仿生復(fù)眼極高速成像系統(tǒng)

區(qū)別于一般的激光脈沖，超短脈沖（皮秒及飛秒脈沖）其脈寬短，導(dǎo)致其相干時(shí)間短且兩束光相干區(qū)域受限，會(huì)出現(xiàn)干涉條紋無(wú)法充滿(mǎn)整個(gè)照明區(qū)域的情況。螳螂蝦復(fù)眼結(jié)構(gòu)如圖3（c），由小眼緊密排列而成，每個(gè)小眼均具有獨(dú)立的視場(chǎng)范圍，通過(guò)拼接擴(kuò)大了視場(chǎng)范圍。這一生物學(xué)特點(diǎn)為擴(kuò)展視場(chǎng)提供了靈感。因此建立如圖3（c）所示的復(fù)眼照明結(jié)構(gòu)，由透鏡陣列和匯聚透鏡陣列（LAF）構(gòu)成，可以看做是由多個(gè)參數(shù)相同的小眼照明系統(tǒng)拼接而成，小眼系統(tǒng)滿(mǎn)足式（1）和（2），光路參數(shù)及照明視場(chǎng)大小滿(mǎn)足以下參數(shù)

式中，Dm2和Dm1分別為匯聚透鏡陣列和透鏡陣列子透鏡的口徑，fm和f為匯聚透鏡陣列和透鏡陣列子透鏡焦距，Devents_i為復(fù)眼結(jié)構(gòu)中等效子眼所照明的視場(chǎng)大小，Devents為復(fù)眼透鏡照明的視場(chǎng)大小，n為等效子眼結(jié)構(gòu)中透鏡陣列某一方向的透鏡數(shù)。從式（4）中可以看出照明超快事件區(qū)域隨著小眼系統(tǒng)拼接數(shù)量的增加而增加，實(shí)現(xiàn)每個(gè)區(qū)域均覆蓋有效條紋，從而突破了由于超短脈沖的脈寬及相干條紋頻率對(duì)相干條紋產(chǎn)生的區(qū)域限制。

對(duì)于拼接圖像，重現(xiàn)圖像可能會(huì)出現(xiàn)不一樣的現(xiàn)象。圖4（a）為一組照明條紋，其在頻域的分布可表示為

式中，F(xiàn)i表示每一個(gè)子脈沖構(gòu)成的結(jié)構(gòu)光拼接圖案，fsi表示條紋函數(shù)，fc表示條紋圖案分布的梳狀函數(shù)，fR1和fR2分別表示單位區(qū)域和整個(gè)照明區(qū)域的矩形函數(shù)，a1、b1、a2、b2表示整個(gè)視場(chǎng)和子視場(chǎng)兩個(gè)方向的邊長(zhǎng)，τa和τb表示子視場(chǎng)x和y方向的周期。根據(jù)式（5）可以得到該條紋在頻域的分布（如圖4（b）），與空間頻率復(fù)用方法類(lèi)似，只需要對(duì)虛線(xiàn)圓圈區(qū)域進(jìn)行取樣并進(jìn)行傅里葉逆變換便可以實(shí)現(xiàn)圖像的復(fù)原。

圖4 仿生復(fù)眼極高速成像圖像還原方法Fig.4 The images restoration method of the bionic compound ultrafast imaging system

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

仿生極高速成像方法中，要求分幅時(shí)間大于每幅圖像的曝光時(shí)間，不同時(shí)刻的動(dòng)態(tài)信息在傳播過(guò)程中是互相獨(dú)立的，并在探測(cè)器單次曝光中強(qiáng)度疊加，因此在仿真實(shí)驗(yàn)中省略了時(shí)間形成的過(guò)程。為驗(yàn)證仿生多視場(chǎng)極高速成像方法的可行性，采用Zemax 對(duì)子眼和復(fù)眼系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 子眼系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

子眼系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5。仿真光路如圖5（a），透鏡陣列為4×4 排列，共16 個(gè)子透鏡分為8 組，可以在單次曝光中獲得8 幅圖像。透鏡陣列中子透鏡口徑為1 mm×1 mm，焦距為10 mm，匯聚透鏡的焦距也為10 mm，成像系統(tǒng)放大倍率為1。因此子眼系統(tǒng)的照明視場(chǎng)為1 mm×1 mm。透鏡陣列中的不同組子透鏡對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，仿真的動(dòng)態(tài)事件如圖5（d）。單次曝光獲得的疊加圖像如圖5（b）。將該圖傅里葉變換至頻域，為便于觀察，圖5（c）中的強(qiáng)度分布為ln（I），I表示原頻域強(qiáng)度（仿真復(fù)眼系統(tǒng)和子眼系統(tǒng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中的頻域分布圖像同樣使用該方法處理，同時(shí)文中所有強(qiáng)度圖像均為歸一化處理后的結(jié)果）。除中心主極大外，不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，通過(guò)對(duì)區(qū)域進(jìn)行傅里葉逆變換可以還原不同時(shí)刻的圖像，如圖5（e）（為區(qū)別于原圖，采用了偽彩色處理），與原圖像圖5（d）相一致，因此證明子眼系統(tǒng)可以精確還原。

圖5 子眼系統(tǒng)仿真Fig.5 The simulation of the ommatidium system

2.2 復(fù)眼系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

復(fù)眼系統(tǒng)仿真如圖6。光路如圖6（a），其中透鏡陣列為16×16 排列，匯聚透鏡陣列為2×2 排列，在單次曝光中可以獲得8 幅圖像。透鏡陣列中子透鏡口徑為0.5 mm×0.5 mm，焦距為10 mm，匯聚透鏡陣列中子透鏡口徑為2 mm×2 mm，焦距為40 mm，成像系統(tǒng)放大倍率為1?？梢钥闯稣彰魑锩?，匯聚透鏡陣列以及延遲透鏡陣列尺寸大小一致，此時(shí)照明的物面大小為4 mm×4 mm。透鏡陣列中的不同組子透鏡對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，獲得的疊加圖像如圖6（b），可以看出復(fù)眼系統(tǒng)照明了四個(gè)區(qū)域，由于透鏡的像差等因素，造成四個(gè)區(qū)域拼接處存在很小的縫隙。對(duì)該疊加圖像進(jìn)行傅里葉變換得圖6（c），可以看出形成了8 組點(diǎn)陣，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行傅里葉逆變換可以還原圖像。復(fù)原圖像圖6（e）與圖6（d）一致，因此復(fù)眼系統(tǒng)具有可行性。

圖6 復(fù)眼系統(tǒng)仿真Fig.6 The simulation of the compound eye system

3 討論

3.1 攝影頻率與時(shí)域?qū)挾?/h3>

影響記錄瞬態(tài)事件的時(shí)域?qū)挾龋〞r(shí)間長(zhǎng)度）的因素為畫(huà)幅數(shù)以及分幅時(shí)間，畫(huà)幅數(shù)可以通過(guò)增加子透鏡數(shù)量增加，而分幅時(shí)間根據(jù)式（3）可以通過(guò)改變反射鏡陣列之間的臺(tái)階高度差改變。針對(duì)圖3（b）所示的臺(tái)階結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的時(shí)序脈沖進(jìn)行驗(yàn)證，為便于仿真，將臺(tái)階放置于同一平面進(jìn)行二維仿真。仿真結(jié)構(gòu)如圖7（a），圖中灰色結(jié)構(gòu)為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，臺(tái)階上方黑色結(jié)構(gòu)為反射鏡，每一節(jié)臺(tái)階對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間監(jiān)視器位于入射光上方，入射光為中心波長(zhǎng)為800 nm，脈寬為35 fs 的超短脈沖。當(dāng)相鄰臺(tái)階的高度差為0.01 mm 時(shí)，仿真結(jié)果如圖7（b），可以看出不同臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的子脈沖在時(shí)間軸上的位置不同，臺(tái)階高度越高的脈沖越先出現(xiàn)在時(shí)間軸上，可以獲得總長(zhǎng)為546 fs 的動(dòng)態(tài)事件。此時(shí)子脈沖之間時(shí)間間隔（分幅時(shí)間）為78 fs、攝影頻率為1.2×1013幀/s。進(jìn)一步仿真了相鄰臺(tái)階的高度差為0.15 mm 的情況，獲得了8 個(gè)時(shí)間間隔為1 ps 的時(shí)序子脈沖（圖7（c）），子脈沖寬度均為35 fs，可以記錄7 ps 的動(dòng)態(tài)事件。因此可以通過(guò)調(diào)整或加工不同高度差的臺(tái)階陣列獲得更長(zhǎng)或更短的記錄時(shí)長(zhǎng)和攝影頻率。

圖7 時(shí)間延遲結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證與方法Fig.7 The simulation of the delay unit and the time delay method

由于延遲結(jié)構(gòu)在照明結(jié)構(gòu)之前，對(duì)照明光路沒(méi)有影響，同樣可以采用將探測(cè)脈沖啁啾與濾波片陣列的方式替代臺(tái)階結(jié)構(gòu)。光路如圖7（d），超短脈沖通過(guò)色散元件（Dispersion element）進(jìn)行展寬使不同光譜對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，在透鏡陣列前放置濾波片陣列（圖7（e））與透鏡陣列中的透鏡一一對(duì)應(yīng)；透鏡陣列中每一組子透鏡具有不同的波長(zhǎng)即對(duì)應(yīng)不同的時(shí)刻，同樣可以在照明面產(chǎn)生時(shí)序脈沖序列。超短脈沖可以通過(guò)不同的色散元件，例如光柵對(duì)、玻璃柱、光纖等展寬至飛秒、皮秒甚至納秒領(lǐng)域，因此，可以利用這種方法可以記錄飛秒、皮秒甚至納秒時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)事件。

因此，仿生極高速成像可以通過(guò)選擇不同尺寸或不同元件實(shí)現(xiàn)飛秒到納秒時(shí)間尺度的瞬態(tài)事件的覆蓋，可以覆蓋多個(gè)時(shí)間尺度，即具有寬時(shí)域的特性。另一方面，分幅時(shí)間主要由子脈沖的脈寬所決定，因此隨著飛秒脈寬的進(jìn)一步縮小，仿生極高速成像系統(tǒng)的攝影頻率也將進(jìn)一步提高。

3.2 條紋結(jié)構(gòu)光照明靜態(tài)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證由干涉產(chǎn)生的條紋結(jié)構(gòu)光照明的可行性，對(duì)子眼系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)仿真，以不同位置的分辨率板作為瞬態(tài)事件的不同時(shí)刻，選取六組不同間距的子透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將每組子透鏡照明的圖案疊加，獲得如圖8（a）所示的疊加圖案，其傅里葉變換后的頻域分布如圖8（b），獲得了六對(duì)點(diǎn)陣，對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的圖像信息，對(duì)不同點(diǎn)分別進(jìn)行傅里葉逆變換，獲得復(fù)原圖像圖8（c），證明子眼系統(tǒng)的可行性。

圖8 子眼系統(tǒng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)Fig.8 The statics experiment of the ommatidium system

3.3 空間分辨率

仿生多視場(chǎng)極高速成像系統(tǒng)的空間分辨率取決于兩部分，分別為光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率和圖像還原的分辨率。光學(xué)系統(tǒng)的分辨率主要取決于照明面后續(xù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，即圖3（a）中Limaging成像透鏡部分，成像系統(tǒng)由一個(gè)簡(jiǎn)單的成像透鏡或鏡頭即可完成。令成像系統(tǒng)的放大倍率為1，同樣的光學(xué)系統(tǒng)，分別用探測(cè)面像素尺寸分別為3 μm 和6 μm 進(jìn)行仿真，得到圖9（a）。當(dāng)像素尺寸P=6 μm 時(shí)，可以分辨USAF1951 分辨率板第6 組第3 對(duì)，線(xiàn)寬為6.2 μm；當(dāng)像素尺寸P=3 μm 時(shí)，可以分辨第7 組點(diǎn)3 對(duì)，線(xiàn)寬為3.1 μm。結(jié)果表明仿生極高速成像系統(tǒng)可以獲得極高的空間分辨率，其光學(xué)系統(tǒng)空間分辨率主要受限于探測(cè)器的像元尺寸。

圖9 光學(xué)系統(tǒng)分辨率與還原圖像分辨率Fig.9 The spatial resolution of the optical system and the restored images

仿生多視場(chǎng)極高速成像系統(tǒng)的最終分辨率取決于圖像還原的分辨率，而還原圖像的分辨率取決于條紋間距。根據(jù)式（2），條紋間距取決于匯聚透鏡的焦距f和子透鏡對(duì)的間距Di。令成像系統(tǒng)的放大倍率為1，匯聚透鏡焦距為30 mm，且像素尺寸為3 μm。采用兩幅完全相同方向互相垂直的分辨率板圖案相互疊加求解還原（圖9（b））。分別用子眼間距Di為3，2，1，0.2 mm 進(jìn)行仿真，均能還原圖像，條紋間距越寬，在頻域用于還原圖像的像素越少，分辨率越低；當(dāng)Di=2 mm 時(shí)，條紋間距剛好滿(mǎn)足一對(duì)像素，可以獲得最多得還原像素，分辨率最高，此時(shí)可以分辨第6 組第3 對(duì)，本征空間分辨率可以達(dá)到80.6 lp/mm。雖然與光學(xué)系統(tǒng)分辨率相比有所下降，但仍具有極高的分辨率。

3.4 視場(chǎng)

仿生極高速成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種視場(chǎng)的成像。令透鏡陣列焦距為60 mm、子透鏡尺寸為1 mm×1 mm，匯聚透鏡焦距為15 mm，成像系統(tǒng)放大倍率為16。可以得到照明視場(chǎng)大小為0.125 mm×0.125 mm，照明分辨率板的6～9 組（圖10（a））；在探測(cè)面獲得6～9 組的清晰像（圖10（b）），且條紋間距與分辨率板之間的比例不隨成像透鏡改變。因此仿生極高速成像系統(tǒng)適用于微小視場(chǎng)的成像。

針對(duì)大視場(chǎng)，子眼系統(tǒng)的條紋圖案在照明面的分布會(huì)受脈沖脈寬的影響。仿真了不同脈寬的脈沖在相干角度為1°，2 mm 范圍內(nèi)的干涉情況，如圖10（c）。當(dāng)脈寬較寬時(shí)，條紋可以完全覆蓋，但隨著脈寬的縮小，條紋范圍逐漸縮??；如在30 fs 脈寬時(shí)，條紋對(duì)比度從中心向兩邊逐漸降低至消失。同樣模擬了脈寬為30 fs，子眼系統(tǒng)在2 mm×2 mm 照明視場(chǎng)下的條紋情況，條紋沿x方向分布。結(jié)果表明（圖10（d））在?0.5～0.5 mm 范圍外，條紋幾乎不可見(jiàn)，因此也無(wú)法求解。如果采用復(fù)眼系統(tǒng)，在同樣的情況下，將照明子視場(chǎng)限制在0.5 mm×0.5 mm 范圍內(nèi)并通過(guò)多個(gè)仿生小眼照明系統(tǒng)進(jìn)行拼接，即可在2 mm×2 mm 內(nèi)獲得有效的條紋（圖10（e））。如果采用更多子視場(chǎng)，即匯聚透鏡陣列中的子透鏡越多，將可以獲得更大的視場(chǎng)。

圖10 多視場(chǎng)仿真與相干條紋Fig.10 The simulation for multi-field of view and coherence stripes

表1 為現(xiàn)有的主要極高速成像技術(shù)?；趬嚎s感知技術(shù)的極高速成像CUP，該技術(shù)利用壓縮感知算法結(jié)合條紋相機(jī)實(shí)現(xiàn)極高速成像，其分幅和探測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，但其攝影頻率受條紋相機(jī)限制且還原圖像分辨率低?；陬l率識(shí)別的FRAME 技術(shù)采用計(jì)算成像，具有簡(jiǎn)潔的探測(cè)結(jié)構(gòu)，且攝影頻率很高，但采用延遲線(xiàn)的方式進(jìn)行分幅，導(dǎo)致其分幅光路復(fù)雜。基于光參量放大技術(shù)的FINCOPA 具有高的攝影頻率和較高的本征空間分辨率，但其采用了直接成像和延遲線(xiàn)分光的方式，系統(tǒng)龐大且需用多個(gè)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。基于網(wǎng)格成像和啁啾脈沖的OPR 技術(shù)，其分幅結(jié)構(gòu)和探測(cè)結(jié)構(gòu)均很簡(jiǎn)潔，但由于其屬于直接成像，同一探測(cè)面上的像素被多幅圖像分割且不能全部使用；另一方面，受光譜和畫(huà)幅數(shù)量相互制約的限制，使其攝影頻率提升變的困難。SSIMDS 利用臺(tái)階結(jié)構(gòu)在4f系統(tǒng)頻譜面進(jìn)行分幅延遲，但這種方法只適用于幾個(gè)皮秒甚至更短的時(shí)間尺度，因?yàn)榕_(tái)階結(jié)構(gòu)影響處于光路的匯聚階段，越厚的臺(tái)階對(duì)成像有一定影響。對(duì)比現(xiàn)有成像技術(shù)，仿生極高速成像系統(tǒng)在保證高攝影頻率和空間分辨率的情況下，同時(shí)具有緊湊簡(jiǎn)潔的延遲分幅結(jié)構(gòu)和探測(cè)結(jié)構(gòu)；并且由于延遲結(jié)構(gòu)與分幅成像結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)事件記錄，其時(shí)間分辨率（分幅時(shí)間）僅受脈寬限制，具有寬時(shí)域的特性。

表1 極高速成像技術(shù)Table 1 Ultrafast imaging methods

4 結(jié)論

本文提出了一種多視場(chǎng)寬時(shí)域仿生極高速成像方法。仿生極高速成像以條紋結(jié)構(gòu)光照明與空間角分復(fù)用作為極高速成像的分幅和探測(cè)基礎(chǔ)，使探測(cè)結(jié)構(gòu)緊湊；針對(duì)分幅延遲光路復(fù)雜的問(wèn)題，仿生螳螂蝦小眼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間圖像分幅結(jié)構(gòu)集成化；仿生螳螂蝦復(fù)眼結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的探測(cè)且可以根據(jù)需求進(jìn)行延展。延遲結(jié)構(gòu)與照明成像光路相分離，可以實(shí)現(xiàn)飛秒至納秒時(shí)間尺度的瞬態(tài)事件動(dòng)態(tài)的記錄。相比現(xiàn)有極高速成像系統(tǒng)用透明臺(tái)階結(jié)構(gòu)在4f系統(tǒng)調(diào)制面進(jìn)行時(shí)間延遲，利用反射鏡臺(tái)階陣列結(jié)構(gòu)，消除了由于臺(tái)階色散帶來(lái)的飛秒脈沖展開(kāi)且不會(huì)由于增加分幅時(shí)間而影響照明質(zhì)量，因此可以用于更寬時(shí)間范圍。相比于利用光柵作為結(jié)構(gòu)光照?qǐng)D案，利用干涉形成的條紋，不受成像質(zhì)量的影響，對(duì)光路要求更加簡(jiǎn)單。因此仿生極高速成像方法是一種高精度、多視場(chǎng)、寬時(shí)域、結(jié)構(gòu)緊湊的極高速成像系統(tǒng)，可以用于超快激光與物質(zhì)的相互作用、激光加速電子等高精尖科學(xué)技術(shù)的研究，為用于重大科學(xué)工程中的極高速成像儀器的小型化、輕量化打下理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。