CN109100304A - 一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置及方法。本发明装置包括：飞秒脉冲激光器、耦合器、第一光电探测器、任意波形发生器、掺饵光纤放大器、单模光纤、光电调制器、第一准直器、第一柱面透镜、第一虚拟成像相位阵列、第一衍射光栅、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一显微物镜、观测对象、第二显微物镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第二衍射光栅、第二虚拟成像相位阵列、第二柱面透镜、第二准直器、第二光电探测器、高速示波器、数据处理单元。本发明方法通过时域拉伸技术实现的光谱编码和光学元件特定的空间位置设计，产生预定义的二维结构照明图案，并通过光电探测器的单像素检测和数据处理单元实现图像的连续获取。

Description

一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置及方法

技术领域

本发明属于高速超分辨成像领域,具体涉及一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置及方法。

背景技术

成像技术是人类认识自然和改造自然的重要工具之一，目前已经在众多的领域中获得了广泛的应用。研究具有高空间和高时间分辨的成像装置和方法一直是人们追求的目标之一，但是目前的成像技术大多分别讨论如何在成像过程中单一的提高空间分辨率或时间分辨率，未能同时对两者进行改进，并且现有高速超分辨装置和方法无法实现长时间连续观测(徐世祥,陈文婷,曾选科,等.一种实时高空间分辨的超快分幅光学成像装置)。然而，对于瞬时、非重复事件的观测如等离子体演化，高速细胞检测等，获得高空间分辨率的图像对于研究这些超快连续过程具有重要的意义。

当前提高空间分辨率的主要方法有饱和结构照明显微技术、受激发射损耗显微技术、光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术等，饱和结构照明显微技术相对于其余三种高空间分辨率的成像技术虽然在空间分辨率的提高程度上不占据优势，但是其成像速度明显快于其余三种高空间分辨率的成像技术。传统的饱和结构照明显微技术大多使用空间光调制器来实现二维结构照明图案的产生以在成像平面内多个方向上提高成像分辨率，但其连续成像帧速度受空间光调制器的限制只能达到KHz，在连续观测纳秒、皮秒甚至飞秒时间尺度下的瞬变事件远不能满足需要。

因此，当前迫切需要一种快速稳定的能产生预先定义好的能在观测对象平面内多个方向上提高空间分辨率的二维结构照明图案的装置和方法，以实现对瞬时、非重复事件的连续长时间观测。

发明内容

针对现有的成像技术大多只单一方面的在时间分辨率或空间分辨率上改进，未能同时对两者进行改进的问题，本发明提出了一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置及方法，同时具有高空间和高时间分辨率的性能，并能满足长时间连续观测的要求，以实现对瞬时、具备非重复事件的连续观测，获得高质量的图像。

本发明装置的技术方案为一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器、耦合器、第一光电探测器、任意波形发生器、掺饵光纤放大器、单模光纤、光电调制器、第一准直器、第一柱面透镜、第一虚拟成像相位阵列、第一衍射光栅、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一显微物镜、观测对象、第二显微物镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第二衍射光栅、第二虚拟成像相位阵列、第二柱面透镜、第二准直器、第二光电探测器、高速示波器、数据处理单元；

所述飞秒脉冲激光器与所述耦合器连接；所述的耦合器、第一光电探测器、任意波形发生器依次串联连接；所述的耦合器、掺饵光纤放大器、单模光纤、依次串联连接；所述任意波形发生器与所述光电调制器连接；所述单模光纤与所述光电调制器连接；所述光电调制器与所述第一准直器连接；所述的第一柱面透镜以一定的距离d₁平行的置于准直器前方、所述的第一虚拟成像相位阵列以一定的距离d₂和角度θ₁置于柱面透镜的前方、所述的第一衍射光栅以一定的距离d₃和角度θ₂置于第一虚拟成像相位阵列的前方、所述的第一平凸透镜以一定的距离d₄和角度θ₃置于第一衍射光栅的前方、所述的第二平凸透镜以一定的距离d₅平行的置于第一平凸透镜的前方、所述的第一显微物镜以一定的距离d₆平行的置于第二平凸透镜的前方、所述的观测对象以一定的距离d₇平行的置于第一显微物镜的前方、所述的第二显微物镜以一定的距离d₈平行的置于观测对象的前方、所述的第三平凸透镜以一定的距离d₉平行的置于第二显微物镜的前方、所述的第四平凸透镜以一定的距离d₁₀平行的置于第三平凸透镜的前方、所述的第二衍射光栅以一定的距离d₁₁和角度θ₄置于第四平凸透镜的前方、所述的第二虚拟成像相位阵列以一定的距离d₁₂和角度θ₅置于第二衍射光栅的前方、所述的第二柱面透镜以一定的距离d₁₃和角度θ₆置于第二虚拟成像相位阵列的前方、所述的第二准直器以一定的距离d₁₄平行的置于第二柱面透镜的前方；所述的第二准直器、第二光电探测器、高速示波器、数据处理单元依次串联连接；

所述飞秒脉冲激光器用于产生飞秒脉冲；所述耦合器用于将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器根据脉冲电信号同步产生具有不同方向不同相位的波形；通过所述单模光纤对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过掺饵光纤放大器对第二路光信号脉冲放大已补偿其在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器对时域上拉伸的第二路光信号脉冲根据任意波形发生器产生的具有不同方向不同相位的波形进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；所述准直器用于将光谱编码的脉冲调整发射角度后入射至所述柱面透镜；所述第一柱面透镜将光谱编码的脉冲压缩成线形脉冲；所述第一虚拟成像相位阵列将线形脉冲转换为一维线性像素阵列；一维线性像素阵列通过所述第一衍射光栅后在垂直于一维线性像素阵列的方向以不同的角度分散开，产生二维结构照明图案；二维结构照明图案通过所述的第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一显微物镜后聚焦在观测对象上将物体表面的信息编码到二维结构照明图案中完成空间编码；空间编码后的二维结构照明图案通过观测对象后经过所述的第二显微物镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜、第二衍射光栅、第二虚拟成像相位阵列、第二柱面透镜后还原为单脉冲；所述准直器将还原的单脉冲耦合进光纤并能被所述光电探测器探测；所述第二光电探测器将耦合后单脉冲转换为模拟电信号；所述高速示波器采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元；所述数据处理单元处理数字电信号得到图像并进行存储。

本发明方法的技术方案为一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：所述飞秒脉冲激光器产生飞秒脉冲；

步骤2：通过耦合比为S₁:S₂的所述耦合器将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲，S₁>0，S₂>0；所述第一光电探测器用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号并作为触发器；所述任意波形发生器根据脉冲电信号同步产生预先设定的以M个飞秒脉冲持续时间为一个周期的波形，其中一个周期的波形又分为N组，不同组的波形具有不同的方向，同一组波形具有K个不同相位但同方向的子波形，每个子波形的持续时间等于一个飞秒脉冲的周期，借助光电探测器作为触发器保证调制的同步性，M＞0，N＞2，K＞3；通过所述单模光纤对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过掺饵光纤放大器对第二路光信号脉冲放大已补偿其在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器对时域上拉伸的第二路光信号脉冲根据任意波形发生器产生的预先设定的具有不同方向不同相位的波形进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；

步骤3：所述准直器将光谱编码的脉冲调整发射角度后入射至所述柱面透镜；所述第一柱面透镜将光谱编码的脉冲压缩成线形脉冲；所述第一虚拟成像相位阵列将线形脉冲转换为一维线性像素阵列；一维线性像素阵列通过所述第一衍射光栅后在垂直于一维线性像素阵列的方向以不同的角度分散开，产生预先定义的具有不同方向和不同相位的二维结构照明图案,所述第一虚拟成像相位阵列的倾斜角为θ₁，厚度为L，所述第一衍射光栅的倾斜角θ₂；二维结构照明图案通过所述的第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一显微物镜后聚焦在所述观测对象上，当所述观测对象在高速移动的时候，二维结构照明图案照亮所述观测对象的不同位置，将所述观测对象表面的信息编码到二维结构照明图案的光谱中，完成了空间编码；

步骤4：空间编码后二维结构照明图案通过观测对象后经过所述的第二显微物镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜收集，通过所述的第二衍射光栅、第二虚拟成像相位阵列、第二柱面透镜将二维结构照明图案还原为单脉冲；

步骤5：所述准直器将还原的单脉冲耦合进光纤并能被所述光电探测器探测；

步骤6：所述第二光电探测器将单脉冲转换为模拟电信号；

步骤7：所述高速示波器采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元；

步骤8：所述数据处理单元处理数字电信号得到图像并进行存储。

本发明优点在于：成像装置中的光学仪器均为常用的光学仪器，便于***实现；通过时域拉伸技术设计光谱编码的脉冲形状和设计光学元件特定的空间位置，产生预定义的具有不同方向和不同相位的二维结构照明图案，能在观测对象平面内多个方向上突破衍射极限的瓶颈，实现高空间分辨率；能突破时间分辨能力的瓶颈，实现帧数的10MHz以上的成像帧速度；将成像技术中实现高空间分辨模块和实现高时间分辨模块集成在一起，能使得该成像装置同时具有高空间分辨率和高时间分辨率的能力；通过光电探测器的单像素检测能实现对瞬时、非重复时间的连续观测。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：0度二维结构照明图案；

图3：45度二维结构照明图案；

图4：90度二维结构照明图案；

图5：135度二维结构照明图案。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的结构框图如图1所述，本发明装置的技术方案为一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器101、耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104、掺饵光纤放大器105、单模光纤106、光电调制器107、第一准直器108、第一柱面透镜109、第一虚拟成像相位阵列110、第一衍射光栅111、第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114、观测对象115、第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118、第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121、第二准直器122、第二光电探测器123、高速示波器124、数据处理单元125；

所述飞秒脉冲激光器101为Pritel的中心波长1550nm的飞秒激光器；所述耦合器102为thorlabs的TW1550R2F1；所述第一光电探测器103为Newport-1414；所述任意波形发生器104为美国是德科技的M8195A；所述掺饵光纤放大器105的工作波长为1550nm波段；所述单模光纤107群速度色散为800ps/nm的单模光纤；所述光电调制器107为1550nm波段的马赫-曾德尔调制器；所述第一准直器108为thorlabs的F220FC-1550；所述第一柱面透镜109为thorlabs的LA1470-C；所述第一虚拟成像相位阵列110的厚度为L；所述衍射光栅111为刻线密度600/nm；所述第一平凸透镜112为焦距f＝100nm；所述第二平凸透镜113为焦距f＝50nm；所述第一显微物镜114为数值孔径0.65，放大倍数50x；所述观测对象115为等离子体；所述细胞等；所述第二显微物镜116为数值孔径0.65，放大倍数50x；所述第三平凸透镜117为焦距f＝50nm；所述第四平凸透镜118为焦距f＝100nm；所述衍射光栅119为刻线密度600/nm；所述第二虚拟成像相位阵列120的厚度为L；所述第二柱面透镜121为thorlabs的LA1470-C；所述第二准直器122为thorlabs的F220FC-1550；所述第二光电探测器123为Newport-1414；所述高速示波器124美国是德科技的DSA91304A；所述数据处理单元125为服务器。

所述飞秒脉冲激光器101与所述耦合器102连接；所述的耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104依次串联连接；所述的耦合器102、掺饵光纤放大器105、单模光纤106、依次串联连接；所述任意波形发生器104与所述光电调制器107连接；所述单模光纤106与所述光电调制器107连接；所述光电调制器107与所述第一准直器108连接；所述的第一柱面透镜109以一定的距离d₁＝11.29mm平行的置于准直器108前方、所述的第一虚拟成像相位阵列110以一定的距离d₂＝10mm和倾斜角度θ₁＝22.5°置于柱面透镜109的前方、所述的第一衍射光栅111以一定的距离d₃＝15mm和倾斜角度θ₂＝22.5°置于第一虚拟成像相位阵列110的前方、所述的第一平凸透镜112以一定的距离d₄＝100mm和角度θ₃＝30°置于第一衍射光栅111的前方、所述的第二平凸透镜113以一定的距离d₅＝150mm平行的置于第一平凸透镜112的前方、所述的第一显微物镜114以一定的距离d₆＝50mm平行的置于第二平凸透镜113的前方、所述的观测对象115以一定的距离d₇＝10mm平行的置于第一显微物镜114的前方、所述的第二显微物镜116以一定的距离d₈＝10mm平行的置于观测对象115的前方、所述的第三平凸透镜117以一定的距离d₉＝50mm平行的置于第二显微物镜116的前方、所述的第四平凸透镜118以一定的距离d₁₀＝150mm平行的置于第三平凸透镜117的前方、所述的第二衍射光栅119以一定的距离d₁₁＝100mm和角度θ₄＝30°置于第四平凸透镜118的前方、所述的第二虚拟成像相位阵列120以一定的距离d₁₂＝15mm和倾斜角度θ₅＝22.5°置于第二衍射光栅119的前方、所述的第二柱面透镜121以一定的距离d₁₃＝12mm和倾斜角度θ₆＝22.5°置于第二虚拟成像相位阵列120的前方、所述的第二准直器122以一定的距离d₁₄＝11.29mm平行的置于第二柱面透镜121的前方；所述的第二准直器122、第二光电探测器123、高速示波器124、数据处理单元125依次串联连接；

所述飞秒脉冲激光器101用于产生飞秒脉冲；所述耦合器102用于将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器103用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器104根据脉冲电信号同步产生具有不同方向不同相位的波形；通过所述单模光纤106对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过掺饵光纤放大器105对第二路光信号脉冲放大已补偿其在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器107对时域上拉伸的第二路光信号脉冲根据任意波形发生器产生的具有不同方向不同相位的波形进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；所述准直器108用于将光谱编码的脉冲调整发射角度后入射至所述柱面透镜109；所述第一柱面透镜109将光谱编码的脉冲压缩成线形脉冲；所述第一虚拟成像相位阵列110将线形脉冲转换为一维线性像素阵列；一维线性像素阵列通过所述第一衍射光栅111后在垂直于一维线性像素阵列的方向以不同的角度分散开，产生二维结构照明图案；二维结构照明图案通过所述的第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114后聚焦在观测对象115上将物体表面的信息编码到二维结构照明图案中完成空间编码；空间编码后的二维结构照明图案通过观测对象115后经过所述的第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118、第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121后还原为单脉冲；所述准直器122将还原的单脉冲耦合进光纤并能被所述光电探测器123探测；所述第二光电探测器123将耦合后单脉冲转换为模拟电信号；所述高速示波器124采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元125；所述数据处理单元125处理数字电信号得到图像并进行存储。

本发明实施方式利用结构光突破衍射极限实现高空间分辨的成像原理为将原本不可探测到的高频信息通过莫尔条纹的方式转换为可探测到的低频信息，从而实现高空间分辨。为了计算得到重构后的图像以提高空间分辨率，在成像照明图案中至少包含三种不同的相位。同时在对观测对象平面内各个方向成像分辨率有较高要求的应用中，只在一个方向上提高分辨率还不能满足成像的需求，需要产生一种快速稳定的能产生预先定义好的能在观测对象平面内多个方向上提高空间分辨率二维结构照明图案，下面就对产生这种图案的方法做详细的描述。

下面结合图1至图5介绍本发明的实施方式，本发明实施方式实现步骤如下：

步骤1：所述飞秒脉冲激光器101产生飞秒脉冲，其中心波长为1550nm，带宽大于50nm，重复频率为10MHz，成像的帧速率等于脉冲的重复频率，实现10MHz的成像速度；

步骤2：通过耦合比为S₁:S₂的所述耦合器102将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲，S₁:＝90，S₂＝10；所述第一光电探测器103用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号并作为触发器；所述任意波形发生器104根据脉冲电信号同步产生预先设定的以M个飞秒脉冲持续时间为一个周期的波形，其中一个周期的波形又分为N组，不同组的波形具有不同的方向，可分别设计为0°，45°，90°，135°等方向，同一组波形具有K个不同相位但同方向的子波形，每个子波形的持续时间等于一个飞秒脉冲的周期，借助光电探测器作为触发器保证调制的同步性，M＝12，N＝4，L＝3；通过所述单模光纤106对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过掺饵光纤放大器105对第二路光信号脉冲放大已补偿其在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器107对时域上拉伸的第二路光信号脉冲根据任意波形发生器产生的预先设定的具有不同方向不同相位的波形进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；

步骤3：所述准直器108将光谱编码的脉冲调整发射角度后入射至所述柱面透镜109；所述第一柱面透镜109将光谱编码的脉冲压缩成线形脉冲；所述第一虚拟成像相位阵列110将线形脉冲转换为一维线性像素阵列；一维线性像素阵列通过所述第一衍射光栅111后在垂直于一维线性像素阵列的方向以不同的角度分散开，产生预先定义的具有不同方向不同相位的二维结构照明图案,所述第一虚拟成像相位阵列110的倾斜角为θ₁，厚度为L，所述第一衍射光栅111的倾斜角θ₂，使得产生稳定且强度均一的预先定义的二维结构照明图案，图2-图5分别表示由任意波形发生器产生的预先定义的波形调制的脉冲通过设计的光学元件空间位置后产生的具有四个方向0°，45°，90°，135°并在每个方向上具有三个不同相位相移0，相移相移的二维结构照明图案；二维结构照明图案通过所述的第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114后聚焦在位于电动平移台或微流体通道内所述观测对象115上，当所述观测对象115在高速移动的时候，二维结构照明图案照亮所述观测对象115的不同位置，将所述观测对象115表面的信息编码到二维结构照明图案的光谱中，完成了空间编码；

步骤4：空间编码后二维结构照明图案通过观测对象115后经过所述的第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118收集，通过所述的第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121将二维结构照明图案还原为单脉冲；

步骤5：所述准直器122将还原的单脉冲耦合进光纤并能被所述光电探测器123探测；

步骤6：所述第二光电探测器123将单脉冲转换为模拟电信号；

步骤7：所述高速示波器124采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元125；

步骤8：所述数据处理单元125处理数字电信号得到图像并进行存储。

综上，上述成像装置和方法中的光学元器件皆是常用元器件，便于实现，通过时域拉伸技术设计光谱编码的脉冲形状和设计光学元件特定的空间位置，产生预定义的具有不同方向和不同相位的二维结构照明图案，能在观测对象平面内多个方向上突破衍射极限的瓶颈，实现高空间分辨率；能突破时间分辨能力的瓶颈，实现帧数的10MHz以上的成像帧速度；将成像技术中实现高空间分辨模块和实现高时间分辨模块集成在一起，能使得该成像装置同时具有高空间分辨率和高时间分辨率的能力；通过光电探测器的单像素检测能实现对瞬时、非重复时间的连续观测。

尽管本文较多地使用了飞秒脉冲激光器101、耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104、掺饵光纤放大器105、单模光纤106、光电调制器107、第一准直器108、第一柱面透镜109、第一虚拟成像相位阵列110、第一衍射光栅111、第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114、观测对象115、第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118、第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121、第二准直器122、第二光电探测器123、高速示波器124、数据处理单元125等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置，其特征在于包括：飞秒脉冲激光器101、耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104、掺饵光纤放大器105、单模光纤106、光电调制器107、第一准直器108、第一柱面透镜109、第一虚拟成像相位阵列110、第一衍射光栅111、第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114、观测对象115、第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118、第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121、第二准直器122、第二光电探测器123、高速示波器124、数据处理单元125；

所述飞秒脉冲激光器101与所述耦合器102连接；所述的耦合器102、第一光电探测器103、任意波形发生器104依次串联连接；所述的耦合器102、掺饵光纤放大器105、单模光纤106、依次串联连接；所述任意波形发生器104与所述光电调制器107连接；所述单模光纤106与所述光电调制器107连接；所述光电调制器107与所述第一准直器108连接；所述的第一柱面透镜109以一定的距离d₁平行的置于准直器108前方、所述的第一虚拟成像相位阵列110以一定的距离d₂和角度θ₁置于柱面透镜109的前方、所述的第一衍射光栅111以一定的距离d₃和角度θ₂置于第一虚拟成像相位阵列110的前方、所述的第一平凸透镜112以一定的距离d₄和角度θ₃置于第一衍射光栅111的前方、所述的第二平凸透镜113以一定的距离d₅平行的置于第一平凸透镜112的前方、所述的第一显微物镜114以一定的距离d₆平行的置于第二平凸透镜113的前方、所述的观测对象115以一定的距离d₇平行的置于第一显微物镜114的前方、所述的第二显微物镜116以一定的距离d₈平行的置于观测对象115的前方、所述的第三平凸透镜117以一定的距离d₉平行的置于第二显微物镜116的前方、所述的第四平凸透镜118以一定的距离d₁₀平行的置于第三平凸透镜117的前方、所述的第二衍射光栅119以一定的距离d₁₁和角度θ₄置于第四平凸透镜118的前方、所述的第二虚拟成像相位阵列120以一定的距离d₁₂和角度θ₅置于第二衍射光栅119的前方、所述的第二柱面透镜121以一定的距离d₁₃和角度θ₆置于第二虚拟成像相位阵列120的前方、所述的第二准直器122以一定的距离d₁₄平行的置于第二柱面透镜121的前方；所述的第二准直器122、第二光电探测器123、高速示波器124、数据处理单元125依次串联连接。

2.根据权利要求1所述的基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置，其特征在于：所述飞秒脉冲激光器101用于产生飞秒脉冲；所述耦合器102用于将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲；所述第一光电探测器103用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号；所述任意波形发生器104根据脉冲电信号同步产生具有不同方向不同相位的波形；通过所述单模光纤106对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过掺饵光纤放大器105对第二路光信号脉冲放大已补偿其在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器107对时域上拉伸的第二路光信号脉冲根据任意波形发生器产生的具有不同方向不同相位的波形进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；所述准直器108用于将光谱编码的脉冲调整发射角度后入射至所述柱面透镜109；所述第一柱面透镜109将光谱编码的脉冲压缩成线形脉冲；所述第一虚拟成像相位阵列110将线形脉冲转换为一维线性像素阵列；一维线性像素阵列通过所述第一衍射光栅111后在垂直于一维线性像素阵列的方向以不同的角度分散开，产生二维结构照明图案；二维结构照明图案通过所述的第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114后聚焦在观测对象115上将物体表面的信息编码到二维结构照明图案中完成空间编码；空间编码后的二维结构照明图案通过观测对象115后经过所述的第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118、第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121后还原为单脉冲；所述准直器122将还原的单脉冲耦合进光纤并能被所述光电探测器123探测；所述第二光电探测器123将耦合后单脉冲转换为模拟电信号；所述高速示波器124采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元125；所述数据处理单元125处理数字电信号得到图像并进行存储。

3.一种利用权利要求1所述的基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像装置进行基于时域拉伸的单像素高速超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：所述飞秒脉冲激光器101产生飞秒脉冲；

步骤2：通过耦合比为S₁:S₂的所述耦合器102将飞秒脉冲分为第一路光信号脉冲以及第二路光信号脉冲，S₁>0，S₂>0；所述第一光电探测器103用于将第一路光信号脉冲转换为脉冲电信号并作为触发器；所述任意波形发生器104根据脉冲电信号同步产生预先设定的以M个飞秒脉冲持续时间为一个周期的波形，其中一个周期的波形又分为N组，不同组的波形具有不同的方向，同一组波形具有K个不同相位但同方向的子波形，每个子波形的持续时间等于一个飞秒脉冲的周期，借助光电探测器作为触发器保证调制的同步性，M＞0，N＞2，K＞3；通过所述单模光纤106对第二路光信号脉冲进行时域拉伸；通过掺饵光纤放大器105对第二路光信号脉冲放大已补偿其在时域拉伸中的光功率损失；所述光电调制器107对时域上拉伸的第二路光信号脉冲根据任意波形发生器产生的预先设定的具有不同方向不同相位的波形进行光脉冲调制产生光谱编码的脉冲；

步骤3：所述准直器108将光谱编码的脉冲调整发射角度后入射至所述柱面透镜109；所述第一柱面透镜109将光谱编码的脉冲压缩成线形脉冲；所述第一虚拟成像相位阵列110将线形脉冲转换为一维线性像素阵列；一维线性像素阵列通过所述第一衍射光栅111后在垂直于一维线性像素阵列的方向以不同的角度分散开，产生预先定义的具有不同方向和不同相位的二维结构照明图案,所述第一虚拟成像相位阵列的倾斜角为θ₁，厚度为L，所述第一衍射光栅111的倾斜角θ₂；二维结构照明图案通过所述的第一平凸透镜112、第二平凸透镜113、第一显微物镜114后聚焦在所述观测对象115上，当所述观测对象115在高速移动的时候，二维结构照明图案照亮所述观测对象115的不同位置，将所述观测对象115表面的信息编码到二维结构照明图案的光谱中，完成了空间编码；

步骤4：空间编码后二维结构照明图案通过观测对象115后经过所述的第二显微物镜116、第三平凸透镜117、第四平凸透镜118收集，通过所述的第二衍射光栅119、第二虚拟成像相位阵列120、第二柱面透镜121将二维结构照明图案还原为单脉冲；

步骤5：所述准直器122将还原的单脉冲耦合进光纤并能被所述光电探测器123探测；

步骤6：所述第二光电探测器123将单脉冲转换为模拟电信号；

步骤7：所述高速示波器124采集模拟电信号转换为数字电信号，并将数字电信号传输至所述数据处理单元125；

步骤8：所述数据处理单元125处理数字电信号得到图像并进行存储。