超快成像有多快？条纹相机给你体验

收拾相册的时候，小编看到了这张图片，曾经在网上风靡一时的zi弹击穿物体的瞬间。小编在心里不禁有了点点疑问，这鸡蛋吃了他不香么？这么无聊有科学意义的事情之前有人干过么？

图源：baidu.com

DY个疑问呢，小编琢磨琢磨自己就解决了，我觉得香，真香，配上西红柿就更香了。

至于第二个问题，在1878年的时候，英国摄影师E. Muybridge干过了：他用12台双镜头相机对骑手骑马奔跑的瞬间进行了拍摄，拍摄到马四腿离地的瞬间，这是zui早记录的超快成像（撒费苦心，终于引出正题了）。

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在2014年之前，世界已经有很多超快成像或者成谱的技术，比如高速摄像机或者泵浦探测技术。但是这两种方法总归是有那么点局限性。高速摄像机受限于硬件本身所以ZG只能到10⁷帧；泵浦探测技术需要研究对象具有可重复性且该技术只能用于成谱测量，无法进行成像测量。

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那么是否有这样技术，既能够突破现在的超快成像的硬件极限，又能够测量单次现象？

2014年，一篇题目叫Single-shotcompressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second 的文章横空出世^[1]，发表在nature主刊上。该文章介绍了通过图像压缩技术结合条纹相机的方法，将以往的10⁷帧的超快成像极限提高至10¹¹帧，极大地提高了超快成像的时间分辨极限，该技术名为：compressed ultrafast photography (压缩超快成像，简称CUP)。CUP技术分两步：图像采集以及图像解析。物体的图像通过光学系统入射至digital micromirror device(DMD)进行编码，再由条纹相机接收，图像结果具有(x,y,t)三维信息。三维信息再由算法解析出来，便得到ZH的结果：

CUP技术的原理图

可能大家对10⁷帧以及10¹¹帧的概念不是很了解，但是大家都知道光速是3*10⁸米/秒。因此在10⁷帧的尺度下，每帧只能拍到光前进30米；而10¹¹帧的尺度下，每帧可以拍到光前进3毫米。可以说，在10¹¹帧的尺度下，我们实现了对光的捕捉，能够清晰地观察光在传播中发生的物理变化：

光的折射

光的反射

光在不同介质的传播

压缩超快成像的发展

在浩瀚的宇宙中，很多物理现象是超快瞬间并且不可重复的，比如：超新星的引力坍塌、光学畸形波等。这些现象基本上是在ps量级地时间尺度下发生并且结束，在之前的研究中，可以通过示波器等方式，观测光谱信息，但是无法成像。如果这些现象可以在10¹¹甚至更高的帧数下被观测到其瞬间的物理信息(时间、空间、强度、波长四个维度)，那么这些现象原理的研究就可以获得更多依据。CUP技术的发展为此提供了可能。

光学畸形波的时间-光谱信息^[2]

CUP技术自从2014年由汪立宏教授团队提出以后，经过数年的发展，现在已经有了不小的进展。2019年，华东师范大学的张诗按教授团队提出了hyperspectrally compressed ultrafast photography(高光谱压缩成像，简称HCUP)，在光路以及算法中引入高光谱的元素，得到了1.72nm波长分辨率的快速光谱以及图像信息^[3]。将CUP技术扩展到了时间、空间、强度、光谱四维信息，使得CUP技术的应用更加广泛。

华东师范大学的HCUP系统

2020年，汪立宏教授团队再次重磅来袭，ZX的CUP技术已经通过硬件以及算法的改进，可以实现70*10¹²的帧数，相较最初的系统，提高了700倍^[4]！在70万亿帧的尺度下，我们能看到什么呢？我们可以看到光每帧只前进4.3微米。细胞的平均直径约为10-20微米，我们可以观察光在细胞中的传播变化。

相较于CUP，ZX的技术可以实现70万亿的帧数，同时还能采集光谱信息

超快压缩成像用滨松条纹相机

压缩超快成像之所以可以记录如此快速的瞬间，除了非常强大以及创新的压缩图像技术以外，也与超快成像的硬件系统密不可分，而这个硬件系统的核心，便是条纹相机。无论是2014年的nature还是2019年和2020年的ZX进展文章中，CUP技术的硬件均采用了滨松的条纹相机。

在2014年的CUP文章以及2019年HCUP文章中，系统均使用了C7700型号的条纹相机(现在已经升级至型号C13410，后续均用C13410)。C13410型条纹相机，又称高动态范围条纹相机，以其非常大的光阴极面尺寸，非常适合用于高动态范围需求的应用以及成像应用。

C13410产品图

为啥非得是滨松的条纹相机？

①10000：1的动态范围

C13410在单次测量时动态范围可以达到10000：1，是市面上条纹相机产品具有的zui高的动态范围；

②7.0mm*17.48mm的光阴极面

较其他型号条纹相机的光阴极面都大，其光阴极面足够用于CUP系统的二维成像；

③5ps时间分辨率&10ms的扫描窗口

C13410的5ps时间分辨率以及长达10ms的扫描时间窗口，可以为CUP系统带来超快成像的可能。

在2020年发表的70万亿帧数的TCUP系统中，汪立宏教授团队使用了C6138型条纹相机(即FESCA-200)，该型号的条纹相机可以做到200fs的时间分辨率，显著提高了CUP技术的成像帧数。

滨松条纹相机升级了

现在滨松已经推出了FESCA-200的升级款：FESCA-100(C11853-01)，该型号条纹相机可以将时间分辨率优化至100fs，相信该款设备可以在CUP技术以及其他超快成像领域带来更多突破的可能性。

是福利，没错了！

感谢各位对滨松条纹相机的关注，为了使大家更加了解以及使用条纹相机，小编把条纹相机的成像原理放在下面，需要自取。

图一

被测光通过狭缝，在条纹管的光阴极面上形成狭缝图像。此时，入射的四个光脉冲分别在时间、空间以及强度上略有变化。四个光脉冲入射至光阴极面上，依次转换成与光强度成正比的电子束，再通过加速电极，轰击条纹管末端的荧光屏。

图二

当电子束通过加速电极后，在与入射光同步时序的情况下向扫描电极施加高压（图二）。这将启动扫描电极的高速扫描（电子从上到下扫描）。在高速扫描过程中，到达时间略有不同的电子束在垂直方向上偏转的角度略有不同，并进入MCP（微通道板）。当电子通过MCP时，它们会倍增数千次，然后撞击到荧光屏上，然后再次转换为光。

在荧光屏上，zui早的光脉冲相对应的荧光图像在最上方，其他图像从上到下依次排列，将时间的分辨通过垂直坐标的位置不同来区分。同时，荧光屏的亮度会与入射光强度成正比，荧光屏水平方向上的位置对应于入射光的水平位置。至此，四个光脉冲的时间、强度以及空间信息均得到测量和显示。

参考文献

[1] Gao, L., Liang, J., Li, C. et al. Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second. Nature 516, 74–77 (2014). 

[2] Solli, D., Ropers, C., Koonath, P. et al. Optical rogue waves. Nature 450, 1054–1057 (2007).

[3] Yang, Chengshuai , et al. "Hyperspectrally Compressed Ultrafast Photography." Physical Review Letters 124.2(2020).

[4] Wang, P., Liang, J. & Wang, L. Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second. Nat Commun 11, 2091 (2020).