世界最快成像技术：每秒可拍摄 156.3 万亿帧

发布者：自由知新 2024-3-28 10:18

研究人员开发了一种新型超快相机系统，能够以高达 156.3 万亿帧每秒 (fps) 的速度记录惊人的精确图像。相比之下，专业电影摄影机的 FPS 速率高达数千。

小组人员在成像系统前

该技术是由加拿大国家科学研究中心 (INRS) 的一组研究人员开发的。

SCARF :扫码孔径实时飞秒摄影，是一种新技术，可以记录金属合金的超快退磁和半导体中的瞬态吸收。

研究人员声称，这项新技术将有利于当前物理学、生物学、化学、材料科学、工程学和其他学科的进步。

该团队的工作细节发表在《自然通讯》杂志上。

作为全球超快成像先驱的 INRS 应用计算成像实验室科学负责人梁金阳教授在 2018 年取得了重大进展，为 SCRAF 奠定了基础。

到目前为止，超快相机系统采用的主要方法是一次拍摄一帧。他们会进行快速、重复的测量来收集数据，然后将所有内容编译成一部影片，重现他们所看到的运动。

据研究人员称，这种方法将他们限制在惰性材料或每次以相同方式发生的事件上。这种限制使得该方法不适合观察易碎样品、不可重复事件或超快速度发生的现象。 “例如，飞秒激光烧蚀、冲击波与活细胞的相互作用以及光学混沌等现象就不能用这种方式研究，”梁教授在一份声明中说。

梁教授最初的工具部分填补了这一空白。在被动飞秒成像基础上，T-CUP（每秒万亿帧压缩超快摄影）系统能够每秒捕获十万亿（1013）帧，标志着超快、实时、单次拍摄的重大进步。

为了推进这项技术，该团队着手解决与梁教授的工具相关的许多限制。 “许多基于压缩超快摄影的系统必须应对数据质量下降的问题，并且必须牺牲视场的序列深度。这些限制归因于操作原理，它需要同时剪切场景和编码孔径”博士后研究员兼该研究的共同第一作者 Miguel Marquez 解释道。

SCARF 克服了这些障碍。其成像模式不会剪切超快现象，从而允许超快扫描静态编码孔径。

SCARF 的工作原理是启动“啁啾”超短激光脉冲，该脉冲穿过观察对象。将光概念化为类似于彩虹的光谱：最初，红色波长拦截事件，随后是橙色、黄色，并向下延伸到紫色。由于事件发生的速度很快，每个后续的“颜色”都会以不同的状态捕获它，从而使脉冲能够在极其短暂的时间内封装整个转变。

据该团队称，这使得使用电荷耦合器件 (CCD) 的相机上的各个像素能够接收高达 156.3 THz 的全序列编码速度。这些结果可以在反射和传输模式下以可调节的帧速率和空间尺度通过一次传递来实现。

SCARF 将允许观察罕见现象，例如活细胞中的冲击波力学或超快、不可重复或难以复制的物质。这些观察结果可以帮助开发更有效的药物和医疗干预措施。

梁教授的团队目前正在与 Axis Photonique 和 Few-Cycle 两家公司合作，开发其正在申请专利技术的商业可行版本。

单次实时飞秒摄影对于超快动态发生时的成像是必不可少的。尽管现有技术比传统的多次拍摄方法具有优势，但现有技术面临着所部署的光电设备限制的成像速度或降低的数据质量，并且面临应用范围和采集精度方面的挑战。它们还受到传感模型可获取信息的限制的阻碍。在这里，通过开发扫码孔径实时飞秒摄影（SCARF）来克服这些挑战。这种计算成像模式能够在超快事件记录期间对静态编码孔径进行全光学超快扫描，为 CCD 相机上的每个像素带来高达 156.3 THz 的全序列编码。这里展示了 SCARF 在反射和透射模式下在可调帧速率和空间尺度下的单次超快成像能力。使用 SCARF，可以对半导体中的超快吸收和金属合金的超快退磁进行成像。

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