華東師范大學(xué)開發(fā)出具有時間、空間和光譜分辨率的5D成像系統(tǒng)

具有時間、空間、光譜分辨率的5D成像效果圖(來源：華東師范大學(xué))

在捕捉超高速現(xiàn)象下的圖像時，科學(xué)家往往希望可以同時獲取時間、空間和光譜分辨率數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的掃描成像系統(tǒng)幀速率有限，還無法捕捉到皮秒或飛秒時間尺度上發(fā)生的成像變化。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，目前，中國的一支研究團隊研發(fā)出一種快照成像方法，可以同時捕捉三維空間、時間和光譜維度的成像。該技術(shù)被稱為光譜體積壓縮超快攝影(spectral-volumetric compressed ultrafast photography，簡稱“SV-CUP”)，可以在8.8 mm × 6.3 mm的視場內(nèi)以2 ps的時間幀間隔和1.72 nm的光譜幀間隔對圖像進行捕捉。

論文鏈接：https://doi.org/10.1117/1.AP.3.4.045001

華東師范大學(xué)科學(xué)家齊大龍(Dalong QI)說：“我們認為這項工作最重要的創(chuàng)新，是在單鏡頭成像系統(tǒng)中，將壓縮傳感、時間向空間信息的轉(zhuǎn)換以及光譜向空間信息的轉(zhuǎn)換結(jié)合到了一起?！?/p>

方法改進：從偏振信息到光譜信息

齊大龍稱5D成像的想法并不是最新提出的。去年，美國光學(xué)學(xué)會(OSA)會士汪立宏(Lihong Wang)及其在美國加州理工學(xué)院的研究團隊也已開發(fā)出了一種結(jié)合三維空間、偏振和時間的超高速動力學(xué)捕捉方法。華東師范大學(xué)的5D成像技術(shù)捕捉的是光譜信息而非偏振信息，齊大龍認為這是一種更好的方式。

在下面這項實驗中，研究團隊使用了一套十字形實驗裝置，包含一臺脈沖激光器、一片工程擴散片、一顆分光器、一顆數(shù)字微鏡器件、一臺CMOS相機和兩臺條紋相機。從數(shù)學(xué)意義上講，SV-CUP方法結(jié)合了另外兩種技術(shù)：一是超光譜壓縮超快攝影，它捕捉二個空間維度加上時間和光譜維度的數(shù)據(jù)，但缺乏空間深度感知數(shù)據(jù);二是快照飛行時間(ToF)壓縮超快攝影，它記錄下所有三個空間維度的數(shù)據(jù)。

使用光譜體積壓縮超快攝影(SV-CUP)技術(shù)的示意圖和5D成像。(a)實驗系統(tǒng);(b)工作原理示意圖;(c)重建三維人體模型數(shù)據(jù);(d)選取具有代表性的時間和波長的三維人體模型重建圖像;(e)從重建數(shù)據(jù)中提取的時間分辨光譜。(來源：華東師范大學(xué))

齊大龍稱，這項實驗最大的難度在于把所有維度的信息結(jié)合起來。基于華東師范大學(xué)去年的研究成果，利用條紋相機和光譜色散進行的壓縮傳感處理了光譜和時間數(shù)據(jù)，利用飛行時間成像設(shè)備對目標進行空間可視化。他說：“通過標記兩個通道的時間序列并開發(fā)相應(yīng)的圖像重構(gòu)算法，我們可以重建動態(tài)場景的5D I(x、y、z、t、l)信息?！?/p>

為了驗證上述想法，研究人員觀察了硒化鎘量子點涂層的三維人體模型的光學(xué)成像過程，這些量子點大約需要8 ns才能達到最大熒光水平。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

齊大龍希望SV-CUP技術(shù)能夠在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，同時他也提醒說，由于飛行時間(ToF)通道的深度信息有限，很難捕捉到微觀物體的實際變化。此外，條紋相機的重復(fù)率也限制了在低速條件對深度信息變化的捕捉。

盡管如此，齊大龍認為這項技術(shù)經(jīng)過進一步改進后，將會有助于推動3D熒光壽命成像研究以及對物理和生物領(lǐng)域中超快現(xiàn)象的研究。