华东师范大学开发出具有时间、空间和光谱分辨率的5D成像系统

具有时间、空间、光谱分辨率的5D成像效果图(来源：华东师范大学)

在捕捉超高速现象下的图像时，科学家往往希望可以同时获取时间、空间和光谱分辨率数据。然而，现有的扫描成像系统帧速率有限，还无法捕捉到皮秒或飞秒时间尺度上发生的成像变化。

据麦姆斯咨询报道，目前，中国的一支研究团队研发出一种快照成像方法，可以同时捕捉三维空间、时间和光谱维度的成像。该技术被称为光谱体积压缩超快摄影(spectral-volumetric compressed ultrafast photography，简称“SV-CUP”)，可以在8.8 mm × 6.3 mm的视场内以2 ps的时间帧间隔和1.72 nm的光谱帧间隔对图像进行捕捉。

论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.3.4.045001

华东师范大学科学家齐大龙(Dalong QI)说：“我们认为这项工作最重要的创新，是在单镜头成像系统中，将压缩传感、时间向空间信息的转换以及光谱向空间信息的转换结合到了一起。”

方法改进：从偏振信息到光谱信息

齐大龙称5D成像的想法并不是最新提出的。去年，美国光学学会(OSA)会士汪立宏(Lihong Wang)及其在美国加州理工学院的研究团队也已开发出了一种结合三维空间、偏振和时间的超高速动力学捕捉方法。华东师范大学的5D成像技术捕捉的是光谱信息而非偏振信息，齐大龙认为这是一种更好的方式。

在下面这项实验中，研究团队使用了一套十字形实验装置，包含一台脉冲激光器、一片工程扩散片、一颗分光器、一颗数字微镜器件、一台CMOS相机和两台条纹相机。从数学意义上讲，SV-CUP方法结合了另外两种技术：一是超光谱压缩超快摄影，它捕捉二个空间维度加上时间和光谱维度的数据，但缺乏空间深度感知数据;二是快照飞行时间(ToF)压缩超快摄影，它记录下所有三个空间维度的数据。

使用光谱体积压缩超快摄影(SV-CUP)技术的示意图和5D成像。(a)实验系统;(b)工作原理示意图;(c)重建三维人体模型数据;(d)选取具有代表性的时间和波长的三维人体模型重建图像;(e)从重建数据中提取的时间分辨光谱。(来源：华东师范大学)

齐大龙称，这项实验最大的难度在于把所有维度的信息结合起来。基于华东师范大学去年的研究成果，利用条纹相机和光谱色散进行的压缩传感处理了光谱和时间数据，利用飞行时间成像设备对目标进行空间可视化。他说：“通过标记两个通道的时间序列并开发相应的图像重构算法，我们可以重建动态场景的5D I(x、y、z、t、l)信息。”

为了验证上述想法，研究人员观察了硒化镉量子点涂层的三维人体模型的光学成像过程，这些量子点大约需要8 ns才能达到最大荧光水平。

生物医学应用

齐大龙希望SV-CUP技术能够在生物学和医学领域得到应用，同时他也提醒说，由于飞行时间(ToF)通道的深度信息有限，很难捕捉到微观物体的实际变化。此外，条纹相机的重复率也限制了在低速条件对深度信息变化的捕捉。

尽管如此，齐大龙认为这项技术经过进一步改进后，将会有助于推动3D荧光寿命成像研究以及对物理和生物领域中超快现象的研究。