加州理工學(xué)院開發(fā)的每秒1000億幀的超高速3D視覺相機(jī)

超快成像是一個(gè)傳感器性能和創(chuàng)造性光學(xué)設(shè)計(jì)都在不斷突破的領(lǐng)域，其最新進(jìn)展已使人們能夠以皮秒級(jí)分辨率對(duì)瞬態(tài)光學(xué)事件進(jìn)行三維捕捉。

加州理工學(xué)院光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)室汪立宏(Lihong Wang)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，之前開發(fā)了一種被稱為壓縮超快攝影(CUP)的動(dòng)態(tài)成像技術(shù)，該技術(shù)不使用任何機(jī)械或光學(xué)掃描機(jī)制，而是利用一種條紋相機(jī)進(jìn)行快速二維成像。

CUP技術(shù)通過巧妙的計(jì)算方法在單次拍攝中捕捉二維瞬態(tài)光學(xué)事件，它首先使用數(shù)字微鏡器件對(duì)視覺圖像的空間域進(jìn)行編碼，然后將信號(hào)傳遞到條紋相機(jī)上，將光脈沖的時(shí)間變化轉(zhuǎn)化為探測(cè)器上的空間顯像。

該技術(shù)可以有效地“剪切”時(shí)間信息，在相機(jī)傳感器上壓縮記錄瞬態(tài)事件的全部光信號(hào)，然后使用適當(dāng)?shù)乃惴ㄖ亟ü庑盘?hào)。

汪立宏教授的研究小組現(xiàn)在進(jìn)一步擴(kuò)展了這項(xiàng)技術(shù)，使該平臺(tái)每秒可以捕捉1000億幀，并能捕捉極其短暫超快光學(xué)事件的三維信息。這項(xiàng)增強(qiáng)的新技術(shù)被命名為立體偏振壓縮超快攝影(SP-CUP)。

SP-CUP系統(tǒng)原理圖

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，SP-CUP技術(shù)結(jié)合了壓縮傳感、條紋成像、立體視覺和偏振技術(shù)，能夠提供以皮秒級(jí)時(shí)間分辨率捕捉不可重復(fù)光學(xué)事件五維(空間x、y和z;到達(dá)時(shí)間;線性偏振角)信息的單次被動(dòng)超快成像，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)雜志。

據(jù)稱，通過對(duì)現(xiàn)有CUP技術(shù)的改進(jìn)，使得在三維空間中同時(shí)、高效地記錄偏振成為可能。與現(xiàn)有的其它單次超快成像技術(shù)相比，加州理工學(xué)院新開發(fā)的技術(shù)在光通量、序列深度、時(shí)空分辨率和高維成像可擴(kuò)展性等方面都具有優(yōu)勢(shì)。

有望解決物理學(xué)謎團(tuán)

“現(xiàn)在，我們的SP-CUP技術(shù)相機(jī)是三維立體的了?！蓖袅⒑杲淌谠u(píng)論稱，“我們的鏡頭可以像兩個(gè)眼睛一樣工作，提供兩個(gè)有一定偏移的視圖，通過兩個(gè)信號(hào)通道來模擬人眼的立體視覺?！?/p>

SP-CUP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超短激光脈沖在散射介質(zhì)中傳播的線性偏振特性進(jìn)行三維超快成像

在實(shí)驗(yàn)中，SP-CUP平臺(tái)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)超短激光脈沖在散射介質(zhì)中傳播的線性偏振特性進(jìn)行三維超快成像。

研究人員還用它來監(jiān)測(cè)飛秒激光與硅晶圓相互作用時(shí)，激光誘導(dǎo)擊穿(LIB)等離子體發(fā)射的偏振動(dòng)力學(xué)。在這種情況下，通過成像顯示了與角度相關(guān)的等離子體羽流膨脹速度，以及等離子體發(fā)射偏振態(tài)的演變。

汪立宏教授評(píng)價(jià)稱，這一突破可能有助于研究人員更好地理解聲致發(fā)光的物理現(xiàn)象，即聲波在水或其他液體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小氣泡，而當(dāng)氣泡在形成后迅速崩塌時(shí)，它們會(huì)發(fā)出一束光。

“有學(xué)者認(rèn)為這是物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一?！蓖袅⒑杲淌谡f，“當(dāng)一個(gè)氣泡破裂時(shí)，它的內(nèi)部溫度會(huì)達(dá)到如此高的水平，以至于可以產(chǎn)生光。這一過程非常神秘，因?yàn)檫@一切發(fā)生得太快了，我們想知道這款新開發(fā)的相機(jī)能否幫助我們弄清楚這一物理學(xué)謎團(tuán)?！?/p>