超快照相机以每秒 1000 亿帧的速度拍摄 3D 图像

加州理工学院成像技术可以揭示极化和声致发光的动力学机理
 

影片显示激光脉冲穿过激光散射材料并在表面反射。加州理工学院光学成像实验室供图。

传感器性能和创新光学设计在超快成像领域不断突破极限，超快成像领域最新的成就是允许以皮秒分辨率对瞬态光学现象进行 3D 捕获。加州理工学院光学成像实验室Lihong Wang的研究小组已经开发出一种动态成像技术，称为压缩超快摄影(CUP)，这项技术使用超高速扫描相机进行快速二维成像，而无需使用任何机械或光学扫描机制。

CUP 通过巧妙的计算方法进行一次拍摄，捕获 2D 瞬态光学事件。它首先使用数字微镜器件对视觉图像的空间域进行编码，然后将信号传递到超高速扫描相机，这样设计是将光脉冲的时间变化转换为探测器上的空间分布。

这可以有效地剪切动时态信息，并压缩地记录来自相机传感器上的瞬态事件的整个光信号，从而采用适当的算法进行重建。这个团队进一步扩展了这项技术，使平台每秒可拍照高达 1000 亿帧并捕获极其短暂的光学事件的 3D 信息。这项增强技术被命名为立体极化压缩超快摄影SP-CUP。论文在《Nature Communications》中评论该项目说：“SP-CUP 将压缩感测、超高速成像、立体成像和极化成像相结合，SP-CUP提供单次拍摄无源超快成像，可以实现以皮秒时间分辨率捕获 5D中不重复的事件(空间中x、y 和 z；抵达时间；线性极化的角度)。”

据加州理工学院介绍，现有 CUP 技术的增强能够同时有效地在三维空间中快速记录极化现象。与现有的单摄超快成像技术相比，它在光吞吐量、序列深度、时空分辨率和高维度成像的可扩充性方面具有优势。

物理学中最大的奥秘之一

“这个相机是立体的，”Lihong Wang评论道。“我们有一个镜头，但它的功能分为两部分，提供两个视图偏移。这两个途径模仿了我们的眼睛。” 在实验中，SP-CUP平台允许成功对单个超短激光脉冲的线性极化特性进行三维超快成像，并在散射介质中传播出去。Caltech 还利用它来监测当飞秒级激光与硅晶圆相互作用时，由激光诱导分解 (LIB) 的等离子体发射的极化动力学过程。在这种情况下，成像显示等离子体云的变角膨胀速度和等离子体发射极化状态的演变。

Lihong Wang评论说，这一突破可能有助于研究人员更好地理解声致发光，即声波在水或其他液体中产生微小气泡的现象。当气泡形成后迅速坍塌时，它们发出一束光。 “有些人认为这是物理学中最大的谜团之一，” Wang说，“当一个气泡坍塌时，它的内部温度达到如此之高从而产生光。这种情况发生的过程非常神秘，因为这一切发生得太快了，我们想知道我们的相机能否协助弄清楚其中的机制。”