每秒1000億幀的超高速3D視覺相機，有望破解更多物理學謎團

2020-11-08 麥姆斯諮詢

加州理工學院新開發的超高速成像技術或能揭示偏振和聲致發光的動力學原理。
超快成像是一個傳感器性能和創造性光學設計都在不斷突破的領域，其最新進展已使人們能夠以皮秒級解析度對瞬態光學事件進行三維捕捉。
加州理工學院光學成像實驗室汪立宏（Lihong Wang）教授領導的研究小組，之前開發了一種被稱為壓縮超快攝影（CUP）的動態成像技術，該技術不使用任何機械或光學掃描機制，而是利用一種條紋相機進行快速二維成像。
CUP技術通過巧妙的計算方法在單次拍攝中捕捉二維瞬態光學事件，它首先使用數字微鏡器件對視覺圖像的空間域進行編碼，然後將信號傳遞到條紋相機上，將光脈衝的時間變化轉化為探測器上的空間顯像。
該技術可以有效地「剪切」時間信息，在相機傳感器上壓縮記錄瞬態事件的全部光信號，然後使用適當的算法重建光信號。
汪立宏教授的研究小組現在進一步擴展了這項技術，使該平臺每秒可以捕捉1000億幀，並能捕捉極其短暫超快光學事件的三維信息。這項增強的新技術被命名為立體偏振壓縮超快攝影（SP-CUP）。

SP-CUP系統原理圖



據麥姆斯諮詢介紹，SP-CUP技術結合了壓縮傳感、條紋成像、立體視覺和偏振技術，能夠提供以皮秒級時間解析度捕捉不可重複光學事件五維（空間x、y和z；到達時間；線性偏振角）信息的單次被動超快成像，這項研究成果已經發表於《自然通訊》（Nature Communications）雜誌。
據稱，通過對現有CUP技術的改進，使得在三維空間中同時、高效地記錄偏振成為可能。與現有的其它單次超快成像技術相比，加州理工學院新開發的技術在光通量、序列深度、時空解析度和高維成像可擴展性等方面都具有優勢。
有望解決物理學謎團
「現在，我們的SP-CUP技術相機是三維立體的了。」汪立宏教授評論稱，「我們的鏡頭可以像兩個眼睛一樣工作，提供兩個有一定偏移的視圖，通過兩個信號通道來模擬人眼的立體視覺。」


SP-CUP平臺實現對超短雷射脈衝在散射介質中傳播的線性偏振特性進行三維超快成像


在實驗中，SP-CUP平臺成功地實現了對單個超短雷射脈衝在散射介質中傳播的線性偏振特性進行三維超快成像。
研究人員還用它來監測飛秒雷射與矽晶圓相互作用時，雷射誘導擊穿（LIB）等離子體發射的偏振動力學。在這種情況下，通過成像顯示了與角度相關的等離子體羽流膨脹速度，以及等離子體發射偏振態的演變。
汪立宏教授評價稱，這一突破可能有助於研究人員更好地理解聲致發光的物理現象，即聲波在水或其他液體中傳播時會產生微小氣泡，而當氣泡在形成後迅速崩塌時，它們會發出一束光。
「有學者認為這是物理學中最大的謎團之一。」汪立宏教授說，「當一個氣泡破裂時，它的內部溫度會達到如此高的水平，以至於可以產生光。這一過程非常神秘，因為這一切發生得太快了，我們想知道這款新開發的相機能否幫助我們弄清楚這一物理學謎團。」
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