高速光学成像技术介绍（上）

引言

超快现象能够反映物理学、化学和生物学中许多重要的机制，很多自然科学特别是基础科学研究中都需要对超快现象进行观测, 如激光诱导损伤中的冲击波,不可逆晶体化学反应, 生物组织中的光散射，荧光的激发，飞行光(Light in flight)，激光诱导等离子体等等。对这些超快过程进行有效的观测具有不可或缺的科学意义和实用价值。本文介绍几种常用的高速光谱与成像技术及其相关应用, 为您的研究提供参考。

正文

高速摄影技术的起源可以追溯到1878年, Eadweard Muybridge使用连续摄影技术捕捉马匹奔跑的瞬间。Muybridge使用了当时*先进的湿板胶片技术，每张照片的曝光时间仅为2毫秒，成像图像显示了马匹在奔跑过程中存在四蹄同时离地的瞬间，这一结论颠覆了人们以往的认知。为了拍摄更快的过程，摄影师在赛道上拦了12根线，每根线连着一台相机的快门。这样，虽然单台相机的快门速度赶不上赛马，但奔跑的马匹会依次触发12台相机，马蹄的运动过程由此分解出来，这为后来高速摄影技术的发展奠定了基础。19世纪，高速摄影主要依赖于机械快门，但是机械快门的速度受到物理限制, 无法达到极高的帧速率。随着固态图像传感器的发展，电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS), 高速摄影技术进入了一个新时代。固态图像传感器具有更高的帧速率、分辨率和动态范围，因此在高速摄影领域得到了广泛应用。

图1. 高速频闪摄影照片[1]（a）子弹穿过苹果的瞬间（b）奶牛皇冠

1980年代，学院教授艾哈迈德.泽维尔(Ahmed H. Zewail）基于抽运-探测（Pump-probe）技术提出了飞秒化学，使人们对于超快过程的研究延伸到了飞秒尺度。泽维尔的泵浦-探测“相机”，拍下了化学反应过程。泵浦-探测的原理, 可以理解为将那匹赛马换成了一束激光，让它重复跑上多次，拦在跑道上的只有一根“线”，每次都移动纳米级别的距离，用光速来除一下，正好对应着飞秒级别的时间间隔。用这种方法，人类首次像看足球慢镜头回放一样，看到了化学反应中原子和分子的运动。

图2. 飞秒泵浦-探测揭示化学反应过程

通常的超快光学技术由以下三个标准界定。首先, “超快”是指1亿帧每秒(108 fps)或以上的成像速度, 即相邻两帧间的时间间隔≤10 ns。其次，“光学”是指检测光子的过程, 不包括利用电子束、X射线和太赫兹辐射进行的超快成像。第三“光谱与成像”仅限于一维光谱（波长或波数，λ）测量和二维空间(x、y)成像。

根据记录二维（λ, t）或三维即(x、y、t)瞬态场景所需的曝光次数，超快光学成像技术可为多次曝光和单次曝光两种方式。一般情况下，主要用于液体，可以循环, 属于多次曝光技术。对于单发超快现象和过程, 如激光惯性约束聚变( Inertial confinement fusion, ICF)、磁约束聚变的内爆测量、二维内爆动力学研究以及ICF靶丸对称性研究等需要利用单次曝光的方式进行，依靠单一成像系统高速连续地捕捉瞬态事件的快照, 通过调整曝光时间和间隔来实现时间分辨率的控制。

多次曝光超快光学技术

多次曝光通过重复触发相机或成像系统来捕捉瞬态事件的不同时间阶段，以实现超快成像。多次曝光超快光学成像以泵浦探测为主，通过调整探测延时获取动态信息。泵浦探测的方法可分为时间扫描和空间扫描两类。在时间扫描类别中，泵浦光束激发瞬态事件，探针光束随后在一定延迟时间后记录时间切片，给定时间点的波长或空间信息。通过不断改变延迟时间进行重复测量, 时间扫描揭示了超快现象的演变过程。

时间扫描

时间扫描具有两种主要形式: 超短脉冲探测和超快门控。超短脉冲探测利用极短持续时间的光脉冲来照明超快动态现象, 超快门控则通过精确控制门的开启时间从而仅允许极短时间窗口内的光信号通过。时间扫描技术提供了观察和分析超快过程的窗口，是这种技术面临的挑战在于脉冲生成和检测系统的复杂性，及对高精度同步和控制的需求。超短脉冲探测方法使用超短脉宽的探测脉冲记录时间切片，时间分辨率取决于脉冲宽度，基于超短脉冲探测的光学成像非常适合飞秒(甚至阿秒(10-18s，as))瞬态事件的时间分辨光学技术。

图3. 基于超短脉冲探针的晶格振动波超快光学成像。[2] (a)时空相干控制和探测实验; (b)声子极化子的产生和放大。

超快门控

超高时间分辨率可以通过超快门控技术实现，即使用超短时间窗口记录时间切片，通过调整时间窗口，可以捕捉到（λ，t）或(x，y，t)数据立方体。这种控制方式已经在不同领域得到验证，包括非线性光学门控和电子门控。非线性光学门控实现了飞秒级的时间分辨率，但对入射光强度和偏振有一定要求，而电子门控则受电子电路响应时间的限制，目前的时间分辨率限制在几十到几百皮秒之间。

单次曝光超快光学技术

泵浦探测技术在处理高度可重复的瞬态事件方面表现出明显优势，但对于不稳定或不可逆过程，如激光刻蚀、化学反应中的不可逆结构动力学以及惯性约束聚变中的冲击波等，则无法进行有效观测。为了解决这一限制，能够在单次探测过程中获取多帧光谱信息或二维图像的单次曝光超快光学成像被不断开发。单次超快光学成像技术能够实时捕捉（λ，t）或(x, y, t)数据立方体, 克服了瞬态事件对重复测量的要求, 因此可以完美记录非重复或难以再现的超快事件。单次曝光超快光学成像可通过主动或被动方式实现。主动方式利用定制脉冲串探测瞬态事件，每个脉冲都具有独特标记, 以便在检测时提取并分配到相应的时间戳。被动方式则仅使用超快探测器接收信号，瞬态事件可以直接被成像或通过计算重构恢复。

主动探测

主动式超快成像技术可以直接利用时序化的超短激光脉冲进行主动成像，能够灵活利用超短脉冲的特性实现成像方式的创新，因而相对于被动式超快成像技术,其种类更多，成像方式更丰富。采用相关的光学技术，可在空间、波长、角度以及空间频率等多个维度对超短激光脉冲序列进行调制, 使不同时刻的脉冲在空间或者空间频率上分离, 进而实现独立探测，以得到时间分辨信息, 这种实现不同时间的图像信息独立采集或者提取的技术称为“分幅技术”。

图4. 压缩超快瞬态光谱（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal，CUST）成像技术。[3]

如图4所示，压缩超快瞬态光谱（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal，CUST）首先通过光栅组对脉冲光进行光谱展宽，随后啁啾脉冲在经过瞬态目标后被数字微反射镜(Digital micromirror device，DMD)空间编码，编码后的啁啾光被光栅扫描在CCD上，不同波段的啁啾信号发生空间混叠。CUST通过压缩感知重建算法将混叠信息分离，实现光谱对时间信息的完整映射。[3] 该技术具有高时间分辨率，高空间分辨率以及高成像画幅数的特点，其时间分辨率可以从0.1 ps 调节至5 ps。目前CUST的极限时间分辨率受限于光谱在空间维度可空间展开的尺寸。

随着激光主动调制技术的飞速发展, 超短激光脉冲成为新型超快成像技术的关键要素, 这种方法主要依赖于时间域与其它域(如空间、频率、角度、波长和偏振)之间的映射关系实现超快时间分辨, 因此也被称为时间编码照明成像。时间编码照明成像能够保留更多的时空细节信息, 从而获得高达飞秒的出色时间分辨率和接近光学分辨极限的空间分辨率，这为观测和理解许多超快动力学过程提供了独特而重要的手段。压缩感知超快光谱成像(Compressed ultrafast spectral photography，CUSP)是目前*快的连续二维超快成像技术，间分辨率可以达到14.3 fs。CUSP结合了 CUST（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography）和条纹相机两种成像技术。[4] 图5展示了CUSP 技术原理。

图5. 压缩感知超快光谱成像技术原理图

如图5所示，首先飞秒脉冲光经过一组标准具在时域形成多组有时间间隔的脉冲。然后，这些脉冲串通过色散棒展宽为啁啾脉冲串。展宽后的啁啾脉冲串先后分别通过被成像目标DMD空间编码，以及光栅扫描，投射到的条纹相机光电阴极上，其中光栅扫描的方向与条纹相机的扫描方向相互垂直。由于啁啾光在扫描过程中发生混叠, 需要压缩感知算法将混叠的二维信息进行分离。在CUSP中，条纹相机的主要目的是通过电场扫描区分不同脉冲串的信息，以确保系统在超高时间分辨率下同时具有高的画幅数。

被动探测

与主动超快成像技术依赖外部光源不同，被动式超快成像技术利用自然或环境光源进行信息记录。因此，被动式超快二维成像技术可以获取直观的自然光场信息, 在超快光学测量方面应用更加广泛。被动式超快二维成像技术包括：ICCD, 微通道X射线分幅相机，全光固体分幅相机, 压缩超快成像技术(T-CUP)等。ICCD相机是一种高速的二维成像设备, 它主要通过像增强器对弱光信号进行放大，时利用像增器的选通实现高的时间分辨,可实现时间分辨通常在1 ns左右，但是ICCD单次只能获取一幅图像，用有所受限。基于微通道选通型分幅相机可以直接接收被测物体发射的信号, 且不会对待测物体造成任何影响，通过使用光电倍增管等高灵敏度探测器，被动探测式超快光学成像可以探测到极微弱的光信号，因此能够探测荧光动力学等自发光瞬态现象。被动探测式超快光学成像分为直接成像型和计算成像型两种方案。在直接成像型中，待测物体发出的光信号直接被探测器接收, 并通过光电转换器转化为电信号, *终通过计算机进行成像。而在计算成像型中，可以通过压缩采集和计算重构的方法，从非可见的数据中获取信息, 进而还原出待测物体的结构和动态过程。

(1)直接成像

在现有的二维超快探测器中，快分幅相机因其成像质量好和技术成熟度高, 因而成功实现商业化和广泛应用。一般来说,超快分幅相机结合了分光和超快门控技术，通过精确控制每台ICCD的时间门(即电子门控)，可以记录连续的时间切片。直接成像型超快光学成像的优点在于它具有很强的直观性。这类方法通常不需要复杂的后处理或计算, 能够提供即时的成像结果，使得研究者可以直观地观察到被成像对象。超快门控分幅相机已被广泛应用于一系列学科，如材料表征和等离子体动力学等。

另外一种直接超快成像技术是通过结合纤维束成像与条纹相机的一维时间分辨成像能力的高速紫外采样相机(Two-dimensional Spatial Resolved High-speed UV Sampling Camera, HISAC)[6], 用于研究激光产生等离子体中的能量传输。HISAC利用光纤束采集二维图像，光纤束的一端布置成二维阵列, 通过光学成像系统将待测场景(如激光等离子体)的图像传输并映射到这个端面上。光纤束的每根光纤负责采集了图像中对应的小区域的信息, 从而实现了对整个场景的二维采样。光纤束的另一端重新排布成一行, 并安装在条纹相机的入射狭缝内。当图像经光纤阵列编码后，传输到条纹相机端时，二维分布的光信号被转换成了一维的光信号输入到条纹相机。条纹相机以每根光纤端面为一个通道，在时间轴上记录下该通道光强度的变化, 即每个光纤采集区域的动态信息。*后, 根据光纤端面的空间排布信息,可以对条纹相机获得的一维信息进行重构，恢复出每个时刻二维场景的图像。通过这种方式,就实现了对二维场景进行单次采集，获得包含二维空间信息和一维时间信息的光场数据。HISAC既达到了二维成像的要求，又利用了条纹相机良好的时间分辨能力。HISAC的空间分辨率由光纤阵列的排布决定，时间分辨率由条纹相机决定，由此构成一个高时间分辨率和二维空间分辨率的成像系统，为激光等离子体领域能量传输研究提供了重要工具。HISAC单次成像的序列深度超高，可以实现对发光事件的连续探测，但是由于光纤阵列的数量有限，HISAC空间分辨率有所受限。

(2)计算重建的压缩超快成像

图6. 压缩超快成像(Compressed ultrafast Imaging, CUP)系统配置图[7]

压缩超快成像（Compressed ultrafast Imaging，CUP)的实验装置如图6所示，主要包含数字微镜器件(Digital Micromirror Device, DMD)和条纹相机两个重要的组件。首先，动态场景发出的光线通过相机镜头和透镜组成的4-f成像系统投射到固定编码的DMD上。DMD由数十万个微型镜片组成, 每个镜片可以以±12度的角度单独旋转，表示开启或关闭状态。当一个伪随机二进制图案加载到DMD上时,这些微型镜片可以相应地开启或关闭,因此投射在DMD上的动态场景可以在空间上编码。随后，反射的编码动态场景被另一组4-f成像系统收集，由一台狭缝完全打开的条纹相机进行偏转和记录，在单次曝光中由CCD捕获并压缩。*后采用基于压缩感知(Compressed Sensing)原理的图像重构算法，压缩测量数据中恢复高质量的图像。CUP巧妙地结合了应用压缩感知原理实现的超高数据压缩比与条纹相机技术所实现的超短时间分辨率，为传统的条纹照相机增加了另一个空间维度的成像能力。*初的概念模型到现在, CUP在物理学、生物医学、材料科学等领域得到了广泛的应用和研究。此外，基于CUP原理，一系列利用电子和X射线源的超快衍射型和显微成像方案被提出，将计算成像的模式从光学领域拓展到其它领域。近年来，经成为推动下一代单次曝光超快光学成像发展*有潜力的候选者之一。

结论

成像是人类认识和理解世界的重要手段, 人类的进步往往伴随着成像技术的发展。显微技术的出现将人类带进了微观世界, 能够观测到隐藏在物体中的空间细节信息,细胞、细菌、病毒、DNA、分子以及原子等微观结构才能进入到人类的视野，大大促进了人类对世界的认识以及科技的快速发展。而超快成像技术的出现，类能够以前所未有的超快速度记录动态过程, 拥有了“时间显微”的能力, 能够看清隐藏在时间序列中的细微变化,发现更多未知。随着多种超级技术和相关科学仪器的发展和普及，针对超快光谱与成像技术的应用研究也带来越来越多的科学进展。

参考文件

[1] 金诚挚,压缩超快成像系统优化及其应用[D]. 华东师范大学,2024.

[2] Feurer T, Vaughan JC, Nelson KA. Spatiotemporal coherent control of lattice vibrational waves [J]. Science, 2003, 299(5605): 374-377.

[3] Lu Y, Wong T T W, Chen F, et al. Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography[J]. Physical Review Letters, 2019, 122(19): 193904.

[4] Wang P, Liang J, Wang L V. Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 2091.

[5] Fang, Y., Zhang, M., Wang, J., Guo, L., Liu, X., Lu, Y., & Tian, J. (2021). A four-channel ICCD framing camera with nanosecond temporal resolution and high spatial resolution. Journal of Modern Optics, 68(13), 661–669.

[6] Kodama R, Okada K, Kato Y. Development of a two-dimensional space-resolved  high speed sampling camera [J]. Review of Scientific Instruments, 1999, 70(1): 625-628.

[7] Gao L, Liang J, Li C, et al. Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second [J]. Nature, 2014, 516(7529): 74-77.