前段時間導師布置的一個任務，學習光學時間拉伸成像的內容。找到一篇講解光學時間拉伸成像的文獻——Cheng Lei, Baoshan Guo, Zhenzhou Cheng, Keisuke Goda. Optical time-stretch imaging: Principles and applications。做了一些簡單的翻譯和理解性概括，當時寫了份簡單報告，現在附在博客園上，以供今后學習參考。
基於光學時間拉伸成像技術的研究與發展
隨着激光光電子技術和光學成像器件的進一步研究，光學成像對於時間分辨率和空間分辨率的要求不斷提高，為觀測基礎學科現象和前沿工業應用提供了極大的便利。傳統的光學成像限制於靈敏度、特異性和分辨率之中，光學成像的創新技術也針對此做出了相應的努力。在提高靈敏度方面，針對傳統光學成像需要使用電荷耦合器件（CCD）和圖像傳感器（CMOS）等圖像記錄器件，發展了光電倍增管陣列（PMT）、光電探測器陣列（APD）和紅外傳感器等光子技術探測器。在特異性，即對比度增強方面開發了定量相位成像、偏振敏感成像和化學成像等生物類標記方法。提高空間分辨率的方法也有許多，如超分辨熒光顯微鏡，通過提高空間分辨率達到觀察納米級別細小物體的結構。還有避開傳統圖像設備的速度限制的技術來提高時間分辨率等。
現有的陣列光學成像系統一般是通過光電傳感器將一定強度的光信號轉換為電信號后，再進行信號處理，這樣的成像系統的時間分辨率取決於光電轉換的速度。傳統光學成像技術可以大致分類為兩種，一種是使用探測器陣列，例如CCD和CMOS圖像傳感器等，這種方法由於光電轉換需要獲取一定強度后才可以觸發，從根本上限制了陣列光學成像的時間分辨率，使其難以捕獲超快時間分辨率的信息。另一種是使用光束掃描儀和單像素光電探測器，通過聲光偏轉器引導照明光束來點掃描成像目標，所產生的光信號（如反射、非線性響應或熒光）由單像素光電探測器檢測，這種成像方法通常用於從透明材料成像、非線性成像或熒光成像的成像目標中靈敏地檢測少量光子。
如果可以在成像過程中去除陣列光電信號轉化過程，利用純光學方式采集信息，有可能克服這一關鍵難題，實現時間分辨率上的極大提升。以1999年諾貝爾化學獎授予的飛秒光譜技術為突破點，超快過程的光學成像與光譜學研究廣泛進入研究與應用視野中。2008年，Goda團隊[1]證明光學時間拉伸成像方法是一種有效的超高速光學成像方法，它可以超越傳統的基於探測器陣列的圖像傳感器，克服了傳統圖像傳感器的速度限制，實現了每秒10-1000百萬幀的超高幀率的連續圖像采集。
光學時間拉伸成像(optical time-stretch imaging)方法致力於提高成像的時間分辨率，該方法利用超快脈沖激光在空域和時域中的可分解性，超快激光作為信號源，通過脈沖光光譜攜帶的空間信息實現信息編碼和解碼，單像素光電探測器作為接收器可以完成連續的超快成像[2]。由於光學時間拉伸成像與光學信號處理存在內在的聯系，光學時間拉伸成像可以與各種光學技術相結合，如放大、非線性處理[3]、壓縮傳感[4]等，以實現傳統圖像傳感器無法實現的獨特功能。光學成像領域取得的諸多技術成果已極大地推動了化學、生物、光學、材料等多個領域的發展，未來還將在精密制造、超快工業檢測技術等方面發揮更大作用。
光學時間拉伸成像原理
傳統光學成像系統圖像采集的一種方法利用探測器陣列，通過光電效應撞擊硅表面的光子產生的自由電子由移位寄存器傳輸，並由電荷放大器轉換成電壓，所產生的電壓由模數轉換器（ADC）數字化存儲在存儲器中，CCD圖像傳感器使用單個數字儀對所有像素的串行信號進行數字化。CMOS圖像傳感器使用多個規格幾乎相同的數字儀來加快充電下載速度，采集速度比CCD圖像傳感器快1000倍。探測器陣列阻礙高速圖像采集的最大限制就是從數千像素陣列下載所有電荷所需的時間較長。而且在高幀率狀態下，必須在讀出技術的過程中減少所需要的像素數，這會造成像素在高幀率時丟失。此外，由於超快成像期間會產生大量數據的存儲和訪問，數字圖像處理不能實時執行，轉而進行離線數字處理。這些問題都限制了傳統光學成像系統圖像采集的在超快成像方面的進一步發展。
光學時間拉伸成像的主要特點是將空間信息光學映射到光學探針信號的光譜中，通過色散介質將探測目標的空間信息用光學手段映射到探測信號上，得到一維的時間數據流，這一轉換過程即是時間拉伸成像方法可以突破傳統成像手段速度限制的重要原因。
一個典型的光學時間拉伸成像系統的構建如圖2.1所示[2]，該系統由脈沖激光器、空間色散器、時間色散器、光電探測器、數字儀和信號處理部分組成。首先來自脈沖激光器的單個脈沖進入空間分散器，空間分散器將脈沖的光譜映射成一維或二維的光束，該光束照亮成像目標。脈沖的不同頻率分量對應於目標上的不同空間坐標。編碼目標的空間反射輪廓后的光束被返回到相同的空間分散器中，空間分散器又將這些光束重新組合回單個脈沖中。此時的單個脈沖已經包含了編碼目標信息。然后脈沖進入時間分散器，時間分散器將脈沖的頻譜映射或時間延伸為一維時間數據流。時間分散器還可以放置在空間分散器之前。時間數據流由單像素光電探測器檢測，並由數字儀數字化，計算機信號處理模塊將數字化信號進一步處理。在計算機上信號被映射到一維或二維矩陣以用於圖像構建。
圖2.1 典型的光學時間拉伸成像系統示意圖
圖2.1中表示了單個脈沖在每個階段的演變情況，重復脈沖以用於重復圖像的采集，這樣的步驟使得激光器的脈沖重復速率等於光學時間拉伸成像系統的幀速率。在上述的整個過程中，轉換的兩個步驟非常重要。第一步是頻率到空間的轉換，這能夠探測具有多個頻率分量的成像目標的空間輪廓。第二步是頻率到時間的轉換，這能夠對其中的編碼成像目標的空間輪廓的頻譜進行時間檢測。
光學時間拉伸成像系統的組件都可以再拆換或添加其他組件，每個應用都可以以不同方式配置組件。下面主要討論一些關鍵組件，以更了解光學時間拉伸成像系統的組件設置。
激光器通常是以10-100MHZ的重復率發生寬帶光脈沖序列的鎖模激光器。激光器的脈沖重復率等同於光學時延成像器的幀速率，在恆定幀速率下成像需要高激光穩定性。一般而言，使用1550nm光譜范圍的鎖模光纖激光器、1060nm光譜范圍的摻鐿光纖激光器，以及800nm光譜范圍的鈦寶石飛秒脈沖激光器。
空間分散器用於在空間上分離脈沖的不同頻率分量，以便它們照射成像目標上的不同空間坐標。使用衍射光柵和棱鏡作為空間色散器，可以產生一維彩虹光束的一維空間色散。使用一對虛擬成像相控陣（VIPA）[5-9]和衍射光柵作為空間色散器[10-12]，可以產生二維彩虹光束的二維空間色散。
時間分散器是光學拉伸成像系統中最重要的關鍵部件，主要用於將脈沖的頻譜拉伸成一維的時間數據流，這一過程也稱為色散傅里葉變換[13-14]。可以認為脈沖的時域波形是空間域中遠場衍射圖案的時間模擬。時間色散器可以是單模色散光纖、1550nm通信光譜范圍內的色散補償光纖或提供大模色散的特殊光纖，也可以是提供色模色散的多模光纖[15]，或者是提供依賴於波長的時間延遲的啁啾光纖布拉格光柵[16]。可以通過使用頻譜編碼或波分復用方法規避連續時間延伸的脈沖之間的潛在重疊，可以在不犧牲幀速率的情況下分離重疊的脈沖。
圖2.2 實時測量光纖激光中孤子分子的實驗裝置圖[36]
時間拉伸色散傅里葉變換（TS-DFT）是這項時間拉伸成像技術中的關鍵部分。TS-DFT在色散元件里完成，使光譜信息映射到時域上。近來也有團隊提出利用TS-DFT技術，首次觀測到鎖模光纖激光器中孤子分子的完整形成過程。基於TS-DFT技術，人們實現了對光脈沖超快瞬時演化的實時探測，並對光孤子間的相互作用有了新的認識。劉雪明教授團隊[36]采用鎖模光纖激光實時測量系統，研究了孤子分子的超快動力學過程。從圖2.2右側鎖模光纖激光系統輸出的脈沖序列被分為三路進入圖2.2左側的測量系統，其中進入色散補償光纖（DCF）傳輸的一路為TS-DFT測量。當光脈沖在DCF中傳播時，受群速度色散的影響而被拉伸，同時光譜中不同的波長成分由於不同的傳播速度而在時間上分離，脈沖因此而被拉伸，拉伸后的時域波形與脈沖光譜的形狀一致，從而實現將光脈沖分布從頻率域映射到時域。使用高速光電探測器接收被拉伸的脈沖信號，並通過高速示波器采樣可分析脈沖光譜，能夠實現遠高於傳統光譜儀的探測速率。
光電探測器是將光學時間拉伸信號轉換為電信號以進行進一步圖像處理的必要組件。遵循Nyquist-Shannon定理，為了獲得信號的所有細節且不丟失圖像中的任何精細特征，光電探測器的帶寬至少比信號的最高頻率大兩倍。用於遠程通信的高速光電探測器通常用於這一目的。
在光電探測器進行光電信號轉換后，使用數字儀對模擬電信號進行采樣和量化。經過時間拉伸處理后，攜帶成像目標空間輪廓的不同頻率分量會在不同的時間到達數字儀，如果數字儀的采樣率太低，將直接影響目標對象的關鍵信息。
信號處理是光學時間拉伸成像系統的重要組件，需要處理連續流的時間數據。信號處理器的功能是分割一維時間數據，並將這些分段映射到一維或二維空間中用於圖像構建。在算法方面可以同時實現濾波和圖像增強等圖像處理算法，以提高圖像質量。
光學時間拉伸成像技術的應用
由於光學時間拉伸成像技術的快速連續成像的能力，這一技術已經被應用於各種科學、工業和生物醫學應用，例如表面檢測、表面振動測量、粒子分析和細胞篩選中。
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