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)研究中都需要對超快現(xiàn)象進(jìn)行觀測, 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。對這些超快過程進(jìn)行有效的觀測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（Pump-probe）技術(shù)提出了飛秒化學(xué)，使人們對于超快過程的研究延伸到了飛秒尺度。澤維爾的泵浦-探測“相機(jī)”，拍下了化學(xué)反應(yīng)過程。泵浦-探測的原理, 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)納米級別的距離，用光速來除一下，正好對應(yīng)著飛秒級別的時(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（波長或波數(shù)，λ）測量和二維空間(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)爆測量、二維內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)研究以及ICF靶丸對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)成像以泵浦探測為主，通過調(diào)整探測延時(shí)獲取動(dòng)態(tài)信息。泵浦探測的方法可分為時(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)的波長或空間信息。通過不斷改變延遲時(shí)間進(jìn)行重復(fù)測量, 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: 超短脈沖探測和超快門控。超短脈沖探測利用極短持續(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系統(tǒng)的復(fù)雜性，及對高精度同步和控制的需求。超短脈沖探測方法使用超短脈寬的探測脈沖記錄時(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)了飛秒級的時(shí)間分辨率，但對入射光強(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，但對于不穩(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。為了解決這一限制，能夠在單次探測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)事件對重復(fù)測量的要求, 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瞬態(tài)事件，每個(gè)脈沖都具有獨(dú)特標(biāo)記, 以便在檢測時(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器接收信號，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
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、角度以及空間頻率等多個(gè)維度對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，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
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信息, 在超快光學(xué)測量方面應(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)器對弱光信號進(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)可以直接接收被測物體發(fā)射的信號, 且不會(huì)對待測物體造成任何影響，通過使用光電倍增管等高靈敏度探測器，被動(dòng)探測式超快光學(xué)成像可以探測到極微弱的光信號，因此能夠探測熒光動(dòng)力學(xué)等自發(fā)光瞬態(tài)現(xiàn)象。被動(dòng)探測式超快光學(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，待測物體發(fā)出的光信號直接被探測器接收, 并通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號, *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)將待測場景(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)采集了圖像中對應(yīng)的小區(qū)域的信息, 從而實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)場景的二維采樣。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)，二維分布的光信號被轉(zhuǎn)換成了一維的光信號輸入到條紋相機(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)刻二維場景的圖像。通過這種方式,就實(shí)現(xiàn)了對二維場景進(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)對發(fā)光事件的連續(xù)探測，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)場景可以在空間上編碼。隨后，反射的編碼動(dòng)態(tài)場景被另一組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。隨著多種超級技術(shù)和相關(guān)科學(xué)儀器的發(fā)展和普及，針對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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