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紫外压缩超快摄影术(UV-CUP)——世界上最快的紫外光波段相机

2020年10月28日 行业资讯 666 views

单次超快光学成像是一种可以记录不可重复或难以产生的瞬态事件的技术,其对揭示物理、化学和生物学领域的基本机制具有重要意义。目前,世界上成像速度最快的单次超快光学成像技术是压缩超快摄影术(Compressed ultrafast photography, CUP),足以成像皮秒级的超快事件。这一技术融合了压缩感知(Compressed sensing)和条纹成像术(Streak imaging),实时接收并编码压缩所有的时间与空间信息到一张图像中,之后使用重建算法将记录的瞬态事件还原为视频。

       目前,在数据采集方面,CUP仅可用于记录发生在可见光与近红外波段的事件,对于许多超短时间与超小空间尺度的现象,CUP需要在紫外线(UV)甚至是X射线(X-ray)波段的探测能力。同时,大多数已有CUP系统使用以Littrow结构放置的数字微镜器件(Digital micromirror device, DMD)对瞬态事件进行空间编码,这一设计提供了良好的编码适应性,却限制了CUP的视场与成像速度,也使得整个系统比较笨重而无法应用于空间大小受限的情景。在视频重建方面,CUP目前主流的重建算法(Two-step iterative shrinkage/thresholding, TwIST)会引入阶梯伪影,这限制了系统的时间与空间分辨率,并且在一定程度上加重了CUP在二维正交方向上的空间分辨率差异。

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为了解决上述问题,近日,加拿大魁北克大学国家科学研究院(INRS)梁晋阳教授课题组与美国波士顿大学、加拿大Axis Photonique Inc.公司以及法国SOLEIL同步辐射加速器中心合作开发了第一台紫外光波段压缩超快成像(UV-CUP)系统。通过将一块图案化的钯材料光电阴极(感光波段为220 μm–270 μm)集成到条纹相机中,UV-CUP不仅首次实现了在UV波段的单次超快光学成像,还摆脱了DMD对系统设计和成像速度与视场的限制。独立而紧凑的系统结构使UV-CUP可被轻松地集成到各种各样地实验平台中。除了在硬件方面的改进,一种基于“即插即用-交替方向乘子法(Plug-and-play alternating direction method of multipliers, PnP-ADMM)”的重建算法也被开发并应用到UV-CUP中;这一算法通过将整个重建过程分解成几个子级最小化问题并与先进的降噪算法结合,不仅实现了比传统算法更高的时空分辨率,更抑制了CUP的空间分辨率差异,而获得了更加优良的重建像质。

       软硬件方面的改进使得UV-CUP拥有了卓越的成像性能,其成像速度高达每秒0.5万亿帧,是目前世界上最快的UV波段单次摄影相机;其单次成像可获得1500帧、每帧1750×500像素的视频,是已有CUP系统中的最高值。基于此,UV-CUP将在超快激光科学、材料科学和生物医学等领域获得重要应用。

       这一工作近期以“Single-shot Ultraviolet Compressed Ultrafast Photography”为题发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202000122),并被选为该杂志2020年第10期的封面。论文第一作者为加拿大魁北克大学国家科学研究院硕士生赖英明,通讯作者为梁晋阳教授。该项研究得到了加拿大自然科学与工程研究理事会、加拿大创新基金会、魁北克研究基金会自然科学与工程学部、魁北克研究基金会医学部以及美国国家科学基金会的支持。


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