每秒1000亿帧的超高速3D视觉相机

加州理工学院新开发的超高速成像技术或能揭示偏振和声致发光的动力学原理。

超快成像是一个传感器性能和创造性光学设计都在不断突破的领域，其最新进展已使人们能够以皮秒级分辨率对瞬态光学事件进行三维捕捉。

加州理工学院光学成像实验室汪立宏（Lihong Wang）教授领导的研究小组，之前开发了一种被称为压缩超快摄影（CUP）的动态成像技术，该技术不使用任何机械或光学扫描机制，而是利用一种条纹相机进行快速二维成像。

CUP技术通过巧妙的计算方法在单次拍摄中捕捉二维瞬态光学事件，它首先使用数字微镜器件对视觉图像的空间域进行编码，然后将信号传递到条纹相机上，将光脉冲的时间变化转化为探测器上的空间显像。

该技术可以有效地“剪切”时间信息，在相机传感器上压缩记录瞬态事件的全部光信号，然后使用适当的算法重建光信号。

汪立宏教授的研究小组现在进一步扩展了这项技术，使该平台每秒可以捕捉1000亿帧，并能捕捉极其短暂超快光学事件的三维信息。这项增强的新技术被命名为立体偏振压缩超快摄影（SP-CUP）。

SP-CUP系统原理图

据麦姆斯咨询介绍，SP-CUP技术结合了压缩传感、条纹成像、立体视觉和偏振技术，能够提供以皮秒级时间分辨率捕捉不可重复光学事件五维（空间x、y和z；到达时间；线性偏振角）信息的单次被动超快成像，这项研究成果已经发表于《自然通讯》（Nature Communications）杂志。

据称，通过对现有CUP技术的改进，使得在三维空间中同时、高效地记录偏振成为可能。与现有的其它单次超快成像技术相比，加州理工学院新开发的技术在光通量、序列深度、时空分辨率和高维成像可扩展性等方面都具有优势。

有望解决物理学谜团

“现在，我们的SP-CUP技术相机是三维立体的了。”汪立宏教授评论称，“我们的镜头可以像两个眼睛一样工作，提供两个有一定偏移的视图，通过两个信号通道来模拟人眼的立体视觉。”

SP-CUP平台实现对超短激光脉冲在散射介质中传播的线性偏振特性进行三维超快成像

在实验中，SP-CUP平台成功地实现了对单个超短激光脉冲在散射介质中传播的线性偏振特性进行三维超快成像。

研究人员还用它来监测飞秒激光与硅晶圆相互作用时，激光诱导击穿（LIB）等离子体发射的偏振动力学。在这种情况下，通过成像显示了与角度相关的等离子体羽流膨胀速度，以及等离子体发射偏振态的演变。

汪立宏教授评价称，这一突破可能有助于研究人员更好地理解声致发光的物理现象，即声波在水或其他液体中传播时会产生微小气泡，而当气泡在形成后迅速崩塌时，它们会发出一束光。

“有学者认为这是物理学中最大的谜团之一。”汪立宏教授说，“当一个气泡破裂时，它的内部温度会达到如此高的水平，以至于可以产生光。这一过程非常神秘，因为这一切发生得太快了，我们想知道这款新开发的相机能否帮助我们弄清楚这一物理学谜团。”

原文标题：每秒1000亿帧的超高速3D视觉相机，有望破解更多物理学谜团

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责任编辑：haq