华东师范大学发文：超快现象的5D成像

一个国际研究团队最近开发并实验演示了一种光谱-体积(SV) CUP系统，该系统可以通过一次快照测量同时捕获5D信息。

　　

信息丰富的光学成像可以提供多维信息，使观察和分析探测目标，有助于洞察神秘和未知的世界。超快多维光学成像具有在皮秒甚至飞秒时间尺度上捕捉动态场景的能力，在物理、化学和生物领域的超快现象检测中有着重要的应用。

虽然基于泵浦探针的超快成像可以获得高分辨率的多维信息，但它不能充分捕获不稳定或不可逆的瞬态场景。幸运的是，基于压缩感知和条纹成像的压缩超快摄影(CUP)超越了传统的基于泵浦探针的超快成像。CUP因其高时间分辨率、高数据吞吐量和单镜头采集而受到广泛关注。它已成功地应用于各种超快现象的研究，如捕获超快光子、观测光学马赫锥、检测光学混沌动力学等。

对于许多超快现象，动态场景的空间体积分布和光谱组成是观察动态过程和探索潜在机制的关键。虽然超快光学成像发展迅速,各种方法与空间或光谱分辨率提出了近年来,到目前为止没有超速的成像技术能够获得temporal-spatial-spectral (x, y, z, t和λ)五维(5 d)信息同时快照。

据《Advanced Photonics》报道，由精密光谱学国家重点实验室的张世安领导的国际团队最近开发并实验演示了一种光谱体积(SV) CUP系统，该系统可以通过单次快照测量同时捕获5D信息。创新SV-CUP结合飞行时间杯(time-of- CUP, ToF-CUP)和高光谱杯(hyperspectral CUP, HCUP)， ToF-CUP提取空间三维信息，HCUP记录时空光谱4D信息。根据ToF-CUP和HCUP之间的时间戳关系，最终实现5D信息的完整补充。

在x、y和z方向上，该系统的空间分辨率分别为0.39、0.35和3mm，可以可靠地分辨各种三维物体，这与量子点涂层三维人体模型的实验结果一致。视场为8.8 mm × 6.3 mm × 15 mm，可根据场景更换管状镜头方便调整。时间帧间隔为2 ps，光谱帧间隔为1.72 nm，这使得5D成像具有高光谱和体积分辨率。

SV-CUP将计算成像、压缩感知和图像处理相结合，提供了一种改进超快速光学成像维数的新方案。张说:“SV-CUP为研究物理学和生物化学中的超快现象提供了新的见解。”

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Pengpeng Ding, Yunhua Yao, et al., "Single-shot spectral-volumetric compressed ultrafast photography," Adv. Photonics 3(4), 045001 (2021), doi 10.1117/1.AP.3.4.045001.