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      行業資訊

      光學行業及奧藝科技最新資訊

      紫外壓縮超快攝影術(UV-CUP)——世界上最快的紫外光波段相機

      2020年10月28日 行業資訊 2539 views

      單次超快光學成像是一種可以記錄不可重復或難以產生的瞬態事件的技術,其對揭示物理、化學和生物學領域的基本機制具有重要意義。目前,世界上成像速度最快的單次超快光學成像技術是壓縮超快攝影術(Compressed ultrafast photography, CUP),足以成像皮秒級的超快事件。這一技術融合了壓縮感知(Compressed sensing)和條紋成像術(Streak imaging),實時接收并編碼壓縮所有的時間與空間信息到一張圖像中,之后使用重建算法將記錄的瞬態事件還原為視頻。

             目前,在數據采集方面,CUP僅可用于記錄發生在可見光與近紅外波段的事件,對于許多超短時間與超小空間尺度的現象,CUP需要在紫外線(UV)甚至是X射線(X-ray)波段的探測能力。同時,大多數已有CUP系統使用以Littrow結構放置的數字微鏡器件(Digital micromirror device, DMD)對瞬態事件進行空間編碼,這一設計提供了良好的編碼適應性,卻限制了CUP的視場與成像速度,也使得整個系統比較笨重而無法應用于空間大小受限的情景。在視頻重建方面,CUP目前主流的重建算法(Two-step iterative shrinkage/thresholding, TwIST)會引入階梯偽影,這限制了系統的時間與空間分辨率,并且在一定程度上加重了CUP在二維正交方向上的空間分辨率差異。

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      為了解決上述問題,近日,加拿大魁北克大學國家科學研究院(INRS)梁晉陽教授課題組與美國波士頓大學、加拿大Axis Photonique Inc.公司以及法國SOLEIL同步輻射加速器中心合作開發了第一臺紫外光波段壓縮超快成像(UV-CUP)系統。通過將一塊圖案化的鈀材料光電陰極(感光波段為220 μm–270 μm)集成到條紋相機中,UV-CUP不僅首次實現了在UV波段的單次超快光學成像,還擺脫了DMD對系統設計和成像速度與視場的限制。獨立而緊湊的系統結構使UV-CUP可被輕松地集成到各種各樣地實驗平臺中。除了在硬件方面的改進,一種基于“即插即用-交替方向乘子法(Plug-and-play alternating direction method of multipliers, PnP-ADMM)”的重建算法也被開發并應用到UV-CUP中;這一算法通過將整個重建過程分解成幾個子級最小化問題并與先進的降噪算法結合,不僅實現了比傳統算法更高的時空分辨率,更抑制了CUP的空間分辨率差異,而獲得了更加優良的重建像質。

             軟硬件方面的改進使得UV-CUP擁有了卓越的成像性能,其成像速度高達每秒0.5萬億幀,是目前世界上最快的UV波段單次攝影相機;其單次成像可獲得1500幀、每幀1750×500像素的視頻,是已有CUP系統中的最高值?;诖?,UV-CUP將在超快激光科學、材料科學和生物醫學等領域獲得重要應用。

             這一工作近期以“Single-shot Ultraviolet Compressed Ultrafast Photography”為題發表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202000122),并被選為該雜志2020年第10期的封面。論文第一作者為加拿大魁北克大學國家科學研究院碩士生賴英明,通訊作者為梁晉陽教授。該項研究得到了加拿大自然科學與工程研究理事會、加拿大創新基金會、魁北克研究基金會自然科學與工程學部、魁北克研究基金會醫學部以及美國國家科學基金會的支持。


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