高速光學(xué)成像技術(shù)介紹（上）
引言
超快現(xiàn)象能夠反映物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)中許多重要的機(jī)制，很多自然科學(xué)特別是基礎(chǔ)科學(xué)研究中都需要對(duì)超快現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè), 如激光誘導(dǎo)損傷中的沖擊波,不可逆晶體化學(xué)反應(yīng), 生物組織中的光散射，熒光的激發(fā)，飛行光(Light in flight)，激光誘導(dǎo)等離子體等等。對(duì)這些超快過程進(jìn)行有效的觀測(cè)具有不可或缺的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。本文介紹幾種常用的高速光譜與成像技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用, 為您的研究提供參考。
正文
高速攝影技術(shù)的起源可以追溯到1878年, Eadweard Muybridge使用連續(xù)攝影技術(shù)捕捉馬匹奔跑的瞬間。Muybridge使用了當(dāng)時(shí)*先進(jìn)的濕板膠片技術(shù)，每張照片的曝光時(shí)間僅為2毫秒，成像圖像顯示了馬匹在奔跑過程中存在四蹄同時(shí)離地的瞬間，這一結(jié)論顛覆了人們以往的認(rèn)知。為了拍攝更快的過程，攝影師在賽道上攔了12根線，每根線連著一臺(tái)相機(jī)的快門。這樣，雖然單臺(tái)相機(jī)的快門速度趕不上賽馬，但奔跑的馬匹會(huì)依次觸發(fā)12臺(tái)相機(jī)，馬蹄的運(yùn)動(dòng)過程由此分解出來，這為后來高速攝影技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。19世紀(jì)，高速攝影主要依賴于機(jī)械快門，但是機(jī)械快門的速度受到物理限制, 無法達(dá)到極高的幀速率。隨著固態(tài)圖像傳感器的發(fā)展，電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS), 高速攝影技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。固態(tài)圖像傳感器具有更高的幀速率、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，因此在高速攝影領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
圖1. 高速頻閃攝影照片[1]（a）子彈穿過蘋果的瞬間（b）奶?；使?/span>
1980年代，學(xué)院教授艾哈邁德.澤維爾(Ahmed H. Zewail）基于抽運(yùn)-探測(cè)（Pump-probe）技術(shù)提出了飛秒化學(xué)，使人們對(duì)于超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。澤維爾的泵浦-探測(cè)“相機(jī)”，拍下了化學(xué)反應(yīng)過程。泵浦-探測(cè)的原理, 可以理解為將那匹賽馬換成了一束激光，讓它重復(fù)跑上多次，攔在跑道上的只有一根“線”，每次都移動(dòng)納米級(jí)別的距離，用光速來除一下，正好對(duì)應(yīng)著飛秒級(jí)別的時(shí)間間隔。用這種方法，人類首次像看足球慢鏡頭回放一樣，看到了化學(xué)反應(yīng)中原子和分子的運(yùn)動(dòng)。
圖2. 飛秒泵浦-探測(cè)揭示化學(xué)反應(yīng)過程
通常的超快光學(xué)技術(shù)由以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)界定。首先, “超快”是指1億幀每秒(108 fps)或以上的成像速度, 即相鄰兩幀間的時(shí)間間隔≤10 ns。其次，“光學(xué)”是指檢測(cè)光子的過程, 不包括利用電子束、X射線和太赫茲輻射進(jìn)行的超快成像。第三“光譜與成像”僅限于一維光譜（波長(zhǎng)或波數(shù)，λ）測(cè)量和二維空間(x、y)成像。
根據(jù)記錄二維（λ, t）或三維即(x、y、t)瞬態(tài)場(chǎng)景所需的曝光次數(shù)，超快光學(xué)成像技術(shù)可為多次曝光和單次曝光兩種方式。一般情況下，主要用于液體，可以循環(huán), 屬于多次曝光技術(shù)。對(duì)于單發(fā)超快現(xiàn)象和過程, 如激光慣性約束聚變( Inertial confinement fusion, ICF)、磁約束聚變的內(nèi)爆測(cè)量、二維內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)研究以及ICF靶丸對(duì)稱性研究等需要利用單次曝光的方式進(jìn)行，依靠單一成像系統(tǒng)高速連續(xù)地捕捉瞬態(tài)事件的快照, 通過調(diào)整曝光時(shí)間和間隔來實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率的控制。
多次曝光超快光學(xué)技術(shù)
多次曝光通過重復(fù)觸發(fā)相機(jī)或成像系統(tǒng)來捕捉瞬態(tài)事件的不同時(shí)間階段，以實(shí)現(xiàn)超快成像。多次曝光超快光學(xué)成像以泵浦探測(cè)為主，通過調(diào)整探測(cè)延時(shí)獲取動(dòng)態(tài)信息。泵浦探測(cè)的方法可分為時(shí)間掃描和空間掃描兩類。在時(shí)間掃描類別中，泵浦光束激發(fā)瞬態(tài)事件，探針光束隨后在一定延遲時(shí)間后記錄時(shí)間切片，給定時(shí)間點(diǎn)的波長(zhǎng)或空間信息。通過不斷改變延遲時(shí)間進(jìn)行重復(fù)測(cè)量, 時(shí)間掃描揭示了超快現(xiàn)象的演變過程。
時(shí)間掃描
時(shí)間掃描具有兩種主要形式: 超短脈沖探測(cè)和超快門控。超短脈沖探測(cè)利用極短持續(xù)時(shí)間的光脈沖來照明超快動(dòng)態(tài)現(xiàn)象, 超快門控則通過精確控制門的開啟時(shí)間從而僅允許極短時(shí)間窗口內(nèi)的光信號(hào)通過。時(shí)間掃描技術(shù)提供了觀察和分析超快過程的窗口，是這種技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)在于脈沖生成和檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，及對(duì)高精度同步和控制的需求。超短脈沖探測(cè)方法使用超短脈寬的探測(cè)脈沖記錄時(shí)間切片，時(shí)間分辨率取決于脈沖寬度，基于超短脈沖探測(cè)的光學(xué)成像非常適合飛秒(甚至阿秒(10-18s，as))瞬態(tài)事件的時(shí)間分辨光學(xué)技術(shù)。
圖3. 基于超短脈沖探針的晶格振動(dòng)波超快光學(xué)成像。[2] (a)時(shí)空相干控制和探測(cè)實(shí)驗(yàn); (b)聲子極化子的產(chǎn)生和放大。
超快門控
超高時(shí)間分辨率可以通過超快門控技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即使用超短時(shí)間窗口記錄時(shí)間切片，通過調(diào)整時(shí)間窗口，可以捕捉到（λ，t）或(x，y，t)數(shù)據(jù)立方體。這種控制方式已經(jīng)在不同領(lǐng)域得到驗(yàn)證，包括非線性光學(xué)門控和電子門控。非線性光學(xué)門控實(shí)現(xiàn)了飛秒級(jí)的時(shí)間分辨率，但對(duì)入射光強(qiáng)度和偏振有一定要求，而電子門控則受電子電路響應(yīng)時(shí)間的限制，目前的時(shí)間分辨率限制在幾十到幾百皮秒之間。
單次曝光超快光學(xué)技術(shù)
泵浦探測(cè)技術(shù)在處理高度可重復(fù)的瞬態(tài)事件方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于不穩(wěn)定或不可逆過程，如激光刻蝕、化學(xué)反應(yīng)中的不可逆結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及慣性約束聚變中的沖擊波等，則無法進(jìn)行有效觀測(cè)。為了解決這一限制，能夠在單次探測(cè)過程中獲取多幀光譜信息或二維圖像的單次曝光超快光學(xué)成像被不斷開發(fā)。單次超快光學(xué)成像技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)捕捉（λ，t）或(x, y, t)數(shù)據(jù)立方體, 克服了瞬態(tài)事件對(duì)重復(fù)測(cè)量的要求, 因此可以完美記錄非重復(fù)或難以再現(xiàn)的超快事件。單次曝光超快光學(xué)成像可通過主動(dòng)或被動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)方式利用定制脈沖串探測(cè)瞬態(tài)事件，每個(gè)脈沖都具有獨(dú)特標(biāo)記, 以便在檢測(cè)時(shí)提取并分配到相應(yīng)的時(shí)間戳。被動(dòng)方式則僅使用超快探測(cè)器接收信號(hào)，瞬態(tài)事件可以直接被成像或通過計(jì)算重構(gòu)恢復(fù)。
主動(dòng)探測(cè)
主動(dòng)式超快成像技術(shù)可以直接利用時(shí)序化的超短激光脈沖進(jìn)行主動(dòng)成像，能夠靈活利用超短脈沖的特性實(shí)現(xiàn)成像方式的創(chuàng)新，因而相對(duì)于被動(dòng)式超快成像技術(shù),其種類更多，成像方式更豐富。采用相關(guān)的光學(xué)技術(shù)，可在空間、波長(zhǎng)、角度以及空間頻率等多個(gè)維度對(duì)超短激光脈沖序列進(jìn)行調(diào)制, 使不同時(shí)刻的脈沖在空間或者空間頻率上分離, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立探測(cè)，以得到時(shí)間分辨信息, 這種實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間的圖像信息獨(dú)立采集或者提取的技術(shù)稱為“分幅技術(shù)”。
圖4. 壓縮超快瞬態(tài)光譜（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal，CUST）成像技術(shù)。[3]
如圖4所示，壓縮超快瞬態(tài)光譜（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal，CUST）首先通過光柵組對(duì)脈沖光進(jìn)行光譜展寬，隨后啁啾脈沖在經(jīng)過瞬態(tài)目標(biāo)后被數(shù)字微反射鏡(Digital micromirror device，DMD)空間編碼，編碼后的啁啾光被光柵掃描在CCD上，不同波段的啁啾信號(hào)發(fā)生空間混疊。CUST通過壓縮感知重建算法將混疊信息分離，實(shí)現(xiàn)光譜對(duì)時(shí)間信息的完整映射。[3] 該技術(shù)具有高時(shí)間分辨率，高空間分辨率以及高成像畫幅數(shù)的特點(diǎn)，其時(shí)間分辨率可以從0.1 ps 調(diào)節(jié)至5 ps。目前CUST的極限時(shí)間分辨率受限于光譜在空間維度可空間展開的尺寸。
隨著激光主動(dòng)調(diào)制技術(shù)的飛速發(fā)展, 超短激光脈沖成為新型超快成像技術(shù)的關(guān)鍵要素, 這種方法主要依賴于時(shí)間域與其它域(如空間、頻率、角度、波長(zhǎng)和偏振)之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間分辨, 因此也被稱為時(shí)間編碼照明成像。時(shí)間編碼照明成像能夠保留更多的時(shí)空細(xì)節(jié)信息, 從而獲得高達(dá)飛秒的出色時(shí)間分辨率和接近光學(xué)分辨極限的空間分辨率，這為觀測(cè)和理解許多超快動(dòng)力學(xué)過程提供了獨(dú)特而重要的手段。壓縮感知超快光譜成像(Compressed ultrafast spectral photography，CUSP)是目前*快的連續(xù)二維超快成像技術(shù)，間分辨率可以達(dá)到14.3 fs。CUSP結(jié)合了 CUST（Compressed Ultrafast Spectral-Temporal Photography）和條紋相機(jī)兩種成像技術(shù)。[4] 圖5展示了CUSP 技術(shù)原理。
圖5. 壓縮感知超快光譜成像技術(shù)原理圖
如圖5所示，首先飛秒脈沖光經(jīng)過一組標(biāo)準(zhǔn)具在時(shí)域形成多組有時(shí)間間隔的脈沖。然后，這些脈沖串通過色散棒展寬為啁啾脈沖串。展寬后的啁啾脈沖串先后分別通過被成像目標(biāo)DMD空間編碼，以及光柵掃描，投射到的條紋相機(jī)光電陰極上，其中光柵掃描的方向與條紋相機(jī)的掃描方向相互垂直。由于啁啾光在掃描過程中發(fā)生混疊, 需要壓縮感知算法將混疊的二維信息進(jìn)行分離。在CUSP中，條紋相機(jī)的主要目的是通過電場(chǎng)掃描區(qū)分不同脈沖串的信息，以確保系統(tǒng)在超高時(shí)間分辨率下同時(shí)具有高的畫幅數(shù)。
被動(dòng)探測(cè)
與主動(dòng)超快成像技術(shù)依賴外部光源不同，被動(dòng)式超快成像技術(shù)利用自然或環(huán)境光源進(jìn)行信息記錄。因此，被動(dòng)式超快二維成像技術(shù)可以獲取直觀的自然光場(chǎng)信息, 在超快光學(xué)測(cè)量方面應(yīng)用更加廣泛。被動(dòng)式超快二維成像技術(shù)包括：ICCD, 微通道X射線分幅相機(jī)，全光固體分幅相機(jī), 壓縮超快成像技術(shù)(T-CUP)等。ICCD相機(jī)是一種高速的二維成像設(shè)備, 它主要通過像增強(qiáng)器對(duì)弱光信號(hào)進(jìn)行放大，時(shí)利用像增器的選通實(shí)現(xiàn)高的時(shí)間分辨,可實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨通常在1 ns左右，但是ICCD單次只能獲取一幅圖像，用有所受限。基于微通道選通型分幅相機(jī)可以直接接收被測(cè)物體發(fā)射的信號(hào), 且不會(huì)對(duì)待測(cè)物體造成任何影響，通過使用光電倍增管等高靈敏度探測(cè)器，被動(dòng)探測(cè)式超快光學(xué)成像可以探測(cè)到極微弱的光信號(hào)，因此能夠探測(cè)熒光動(dòng)力學(xué)等自發(fā)光瞬態(tài)現(xiàn)象。被動(dòng)探測(cè)式超快光學(xué)成像分為直接成像型和計(jì)算成像型兩種方案。在直接成像型中，待測(cè)物體發(fā)出的光信號(hào)直接被探測(cè)器接收, 并通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào), *終通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像。而在計(jì)算成像型中，可以通過壓縮采集和計(jì)算重構(gòu)的方法，從非可見的數(shù)據(jù)中獲取信息, 進(jìn)而還原出待測(cè)物體的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程。
(1)直接成像
在現(xiàn)有的二維超快探測(cè)器中，快分幅相機(jī)因其成像質(zhì)量好和技術(shù)成熟度高, 因而成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和廣泛應(yīng)用。一般來說,超快分幅相機(jī)結(jié)合了分光和超快門控技術(shù)，通過精確控制每臺(tái)ICCD的時(shí)間門(即電子門控)，可以記錄連續(xù)的時(shí)間切片。直接成像型超快光學(xué)成像的優(yōu)點(diǎn)在于它具有很強(qiáng)的直觀性。這類方法通常不需要復(fù)雜的后處理或計(jì)算, 能夠提供即時(shí)的成像結(jié)果，使得研究者可以直觀地觀察到被成像對(duì)象。超快門控分幅相機(jī)已被廣泛應(yīng)用于一系列學(xué)科，如材料表征和等離子體動(dòng)力學(xué)等。
另外一種直接超快成像技術(shù)是通過結(jié)合纖維束成像與條紋相機(jī)的一維時(shí)間分辨成像能力的高速紫外采樣相機(jī)(Two-dimensional Spatial Resolved High-speed UV Sampling Camera, HISAC)[6], 用于研究激光產(chǎn)生等離子體中的能量傳輸。HISAC利用光纖束采集二維圖像，光纖束的一端布置成二維陣列, 通過光學(xué)成像系統(tǒng)將待測(cè)場(chǎng)景(如激光等離子體)的圖像傳輸并映射到這個(gè)端面上。光纖束的每根光纖負(fù)責(zé)采集了圖像中對(duì)應(yīng)的小區(qū)域的信息, 從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的二維采樣。光纖束的另一端重新排布成一行, 并安裝在條紋相機(jī)的入射狹縫內(nèi)。當(dāng)圖像經(jīng)光纖陣列編碼后，傳輸?shù)綏l紋相機(jī)端時(shí)，二維分布的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了一維的光信號(hào)輸入到條紋相機(jī)。條紋相機(jī)以每根光纖端面為一個(gè)通道，在時(shí)間軸上記錄下該通道光強(qiáng)度的變化, 即每個(gè)光纖采集區(qū)域的動(dòng)態(tài)信息。*后, 根據(jù)光纖端面的空間排布信息,可以對(duì)條紋相機(jī)獲得的一維信息進(jìn)行重構(gòu)，恢復(fù)出每個(gè)時(shí)刻二維場(chǎng)景的圖像。通過這種方式,就實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維場(chǎng)景進(jìn)行單次采集，獲得包含二維空間信息和一維時(shí)間信息的光場(chǎng)數(shù)據(jù)。HISAC既達(dá)到了二維成像的要求，又利用了條紋相機(jī)良好的時(shí)間分辨能力。HISAC的空間分辨率由光纖陣列的排布決定，時(shí)間分辨率由條紋相機(jī)決定，由此構(gòu)成一個(gè)高時(shí)間分辨率和二維空間分辨率的成像系統(tǒng)，為激光等離子體領(lǐng)域能量傳輸研究提供了重要工具。HISAC單次成像的序列深度超高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光事件的連續(xù)探測(cè)，但是由于光纖陣列的數(shù)量有限，HISAC空間分辨率有所受限。
(2)計(jì)算重建的壓縮超快成像
圖6. 壓縮超快成像(Compressed ultrafast Imaging, CUP)系統(tǒng)配置圖[7]
壓縮超快成像（Compressed ultrafast Imaging，CUP)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，主要包含數(shù)字微鏡器件(Digital Micromirror Device, DMD)和條紋相機(jī)兩個(gè)重要的組件。首先，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景發(fā)出的光線通過相機(jī)鏡頭和透鏡組成的4-f成像系統(tǒng)投射到固定編碼的DMD上。DMD由數(shù)十萬個(gè)微型鏡片組成, 每個(gè)鏡片可以以±12度的角度單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，表示開啟或關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)偽隨機(jī)二進(jìn)制圖案加載到DMD上時(shí),這些微型鏡片可以相應(yīng)地開啟或關(guān)閉,因此投射在DMD上的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景可以在空間上編碼。隨后，反射的編碼動(dòng)態(tài)場(chǎng)景被另一組4-f成像系統(tǒng)收集，由一臺(tái)狹縫完全打開的條紋相機(jī)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和記錄，在單次曝光中由CCD捕獲并壓縮。*后采用基于壓縮感知(Compressed Sensing)原理的圖像重構(gòu)算法，壓縮測(cè)量數(shù)據(jù)中恢復(fù)高質(zhì)量的圖像。CUP巧妙地結(jié)合了應(yīng)用壓縮感知原理實(shí)現(xiàn)的超高數(shù)據(jù)壓縮比與條紋相機(jī)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的超短時(shí)間分辨率，為傳統(tǒng)的條紋照相機(jī)增加了另一個(gè)空間維度的成像能力。*初的概念模型到現(xiàn)在, CUP在物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。此外，基于CUP原理，一系列利用電子和X射線源的超快衍射型和顯微成像方案被提出，將計(jì)算成像的模式從光學(xué)領(lǐng)域拓展到其它領(lǐng)域。近年來，經(jīng)成為推動(dòng)下一代單次曝光超快光學(xué)成像發(fā)展*有潛力的候選者之一。
結(jié)論
成像是人類認(rèn)識(shí)和理解世界的重要手段, 人類的進(jìn)步往往伴隨著成像技術(shù)的發(fā)展。顯微技術(shù)的出現(xiàn)將人類帶進(jìn)了微觀世界, 能夠觀測(cè)到隱藏在物體中的空間細(xì)節(jié)信息,細(xì)胞、細(xì)菌、病毒、DNA、分子以及原子等微觀結(jié)構(gòu)才能進(jìn)入到人類的視野，大大促進(jìn)了人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)以及科技的快速發(fā)展。而超快成像技術(shù)的出現(xiàn)，類能夠以前所未有的超快速度記錄動(dòng)態(tài)過程, 擁有了“時(shí)間顯微”的能力, 能夠看清隱藏在時(shí)間序列中的細(xì)微變化,發(fā)現(xiàn)更多未知。隨著多種超級(jí)技術(shù)和相關(guān)科學(xué)儀器的發(fā)展和普及，針對(duì)超快光譜與成像技術(shù)的應(yīng)用研究也帶來越來越多的科學(xué)進(jìn)展。
參考文件
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