近日，美國(guó)加州理工學(xué)院汪立宏團(tuán)隊(duì)采用壓縮超快光譜攝影技術(shù)(compressed ultrafastspectral photography, CUSP), 打破了該記錄，實(shí)現(xiàn)每秒70萬(wàn)億幀的拍攝技術(shù)。

    這個(gè)技術(shù)有多牛，舉個(gè)例子您就能明白：光速約為3000億毫米/秒。若以70萬(wàn)億幀/秒的速度除以光速，為233.3幀。換句話說(shuō)，這臺(tái)攝像機(jī)在光波移動(dòng)1毫米的時(shí)間內(nèi)可以捕獲約230幀畫(huà)面。

    并且，汪立宏團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了熒光壽命實(shí)時(shí)成像（single-shot spectrallyresolved fluorescence lifetime imaging microscopy，SR-FLIM）。

    相機(jī)的成像速度從根本上限制了人類(lèi)識(shí)別物理世界的能力。隨著幾十年的發(fā)展，基于硅的成像傳感器，例如CCD和CMOS，已經(jīng)可以提供高達(dá)每秒百萬(wàn)幀成像速度。

    但是，它們?cè)诓东@各種極其快速的事件方面卻不盡人意，例如超短光傳播，分子的輻射衰減，沖擊波傳播，核聚變，光子在擴(kuò)散介質(zhì)中的傳輸?shù)?。要觀察這些事件，幀速率必須超過(guò)每秒十億幀甚至是萬(wàn)億幀。

    為了解決相機(jī)幀速率不足的這一問(wèn)題，目前主要有兩種解決思路：

    1）對(duì)同一過(guò)程進(jìn)行多次拍攝，然后間接描述事件的發(fā)展過(guò)程。但是這種方案只能解決發(fā)生過(guò)程保持高度一致的事件，無(wú)法實(shí)時(shí)記錄事件。

    2）不斷提升相機(jī)的幀頻率，直至達(dá)到每秒十億幀甚至是萬(wàn)億幀的速率。2011年麻省理工學(xué)院首次實(shí)現(xiàn)了每秒1萬(wàn)億幀的拍攝技術(shù)。然后，隆德大學(xué)的FRAME相機(jī)又于2017年實(shí)現(xiàn)了每秒5萬(wàn)億幀。緊接著，加拿大魁北克大學(xué)發(fā)明的T-CUP技術(shù)，又于2018年將該記錄刷新至每秒10萬(wàn)億幀。

    針對(duì)第二種思路，超高速壓縮攝影（CUP）是最有希望突破每秒10萬(wàn)億幀速率的技術(shù)。CUP是基于壓縮感知理論和條紋相機(jī)技術(shù)，不幸的是，CUP的幀速率取決于條紋相機(jī)偏轉(zhuǎn)電子的能力，并且其序列深度（每次捕獲的幀數(shù)，300幀）受到傳感器像素?cái)?shù)量的嚴(yán)格限制。

    為了克服這一問(wèn)題，汪立宏團(tuán)隊(duì)巧妙將CUP技術(shù)與脈沖分解技術(shù)相結(jié)合，成功研發(fā)了一種可以對(duì)超快發(fā)生的事件進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的技術(shù)—壓縮超快光譜攝影技術(shù)（CUSP）（圖1）。

    CUSP技術(shù)利用飛秒級(jí)（10-15秒）的激光作為光源。該光源經(jīng)過(guò)光學(xué)器件之后被分解為更短的閃光，從而制備了到目前為止最大序列深度的相機(jī)，幀速率可達(dá)70萬(wàn)億幀/秒。

圖1.CUSP系統(tǒng)示意圖。

a)通過(guò)一對(duì)分束器和一個(gè)玻璃棒將單個(gè)飛秒脈沖轉(zhuǎn)換為時(shí)間線性脈沖序列，

相鄰子脈沖之間的距離為tsp（可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整）。

b)光譜色散方案的詳細(xì)圖示（黑色虛線框）。

c) 原始CUSP圖像的組成，其中包括水平方向上的光柵頻譜色散和垂直方向上的條紋相機(jī)的時(shí)間剪切。

注釋?zhuān)築S，分束器；DMD，數(shù)字微反射鏡；G，衍射光柵；L，透鏡；M，反射鏡。

    利用一束光通過(guò)“Caltech”字樣，T-CUP相機(jī)如圖2（左）所示，新型CUSP相機(jī)如圖2（右）所示：

圖2.CUSP技術(shù)和T-CUP技術(shù)成像過(guò)程對(duì)比。

    在充分驗(yàn)證了CUSP技術(shù)的可靠性之后，該團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了熒光壽命實(shí)時(shí)成像（圖3）。

圖3.SR-FLIM設(shè)計(jì)思路及其檢測(cè)結(jié)果。

a) 基于CUSP技術(shù)的SR-FLIM示意圖；

b)532nm激光激發(fā)樣品產(chǎn)生的熒光隨著時(shí)間的變化關(guān)系；

c)不同濃度樣品產(chǎn)生的熒光的平均壽命。

    這項(xiàng)技術(shù)可以為基礎(chǔ)物理學(xué)，下一代半導(dǎo)體小型化和生命科學(xué)等領(lǐng)域開(kāi)辟新的研究途徑，例如超短光傳播，波傳播，核聚變，云和生物組織中的光子傳輸以及生物分子的熒光衰變。

    另外，該脈沖分解提升序列深度的思路也為發(fā)展更快的超快拍攝技術(shù)的提供了新的方向。

文章信息：

   相關(guān)成果以“ Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second ”為題發(fā)表在 Nature communication 期刊。Peng Wang為第一作者，Lihong V. Wang (汪立宏)為通訊作者。

論文地址：

   https://doi.org/10.1038/s41467-020-15745-4

原文鏈接：《世界最快相機(jī)誕生！每秒捕捉70萬(wàn)億幀》

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