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来了!世界上最快的紫外相机

作者:admin发布时间:2020-10-14分类:产业动态浏览:8评论:0


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江苏激光联盟导读:

据悉,加拿大魁北克大学国立科学研究院(Institut national de la recherche scientifique,INRS)的超高速成像领域专家梁晋阳教授与来自美国波士顿大学电气与计算机工程系加拿大Axis Photonique Inc.以及法国SOLEIL 同步辐射光源的国际研究团队合作开发出世界上最快速的相机,这款相机能实时记录处于紫外线波段的光子。这一原创性研究成果发表在第十期《激光与光子评论》(Laser & Photonics Reviews)杂志的封面上,题目为"Single‐Shot Ultraviolet Compressed Ultrafast Photography"。

来了!世界上最快的紫外相机

△第十期《激光与光子学评论》封面

来了!世界上最快的紫外相机

来了!世界上最快的紫外相机

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△法国 SOLEIL 全景

△SOLEIL是法国继1992年2月在东南部城市格雷诺布尔(Grenoble)建造欧洲同步辐射装置(ESRF)之后的第二个第三代同步光源,它坐落在巴黎大区南部埃松省(Essonne)圣奥班(Saint-Aubin)市的萨克莱高地(Saclay),占地30公顷。SOLEIL光源的能量为2.75 GeV,属于第三代中能光源,其性能和技术上均位于世界同类装置的前列,能够产生比太阳光强1万倍的光。

单次超快光学成像对揭示物理、化学和生物学的基本机制具有重要意义。与仅适用于可重复现象的多镜头不同,单次超快速光学成像可以记录不可重复或难以产生的瞬态事件。根据图像采集方法,现有的单次镜头超快光学成像技术可以分为主动检测类别和被动检测类别。前者使用专门设计的脉冲序列来探测瞬态事件,而后者利用仅接收超快检测器来记录动态场景中的光子。绕过主动照明,被动检测方案非常适合于成像自发光和颜色选择瞬变事件。

在现有的被动检测方法中,压缩超快速摄影(compressed ultrafast photography,CUP)引起了大家巨大的研究兴趣。通过将压缩感测集成到条纹成像中,CUP系统允许在一次摄像机曝光中记录瞬态事件的3D时空(?,?,?)数据立方体。自2014年CUP发明以来,光学仪器领域进行了许多技术创新,以提高系统的性能。例如,飞秒条纹相机辅助CUP实现了每秒70万亿帧(Tfps)的成像速度。此外,宽视野显微镜和相位对比成像模式已集成到CUP中,以提供较高的空间分辨率和新的对比度。不仅如此,检流计扫描仪取代了条纹相机,从而可以在CUP中进行全光学操作,从而将该技术的适用性扩展到了大多数电荷耦合器件(CCD)和CMOS(互补金属氧化物半导体)相机。

尽管取得了这些令人瞩目的创新成就,但是当前的CUP技术在几个方面都受到限制。首先,仅在可见光谱和近红外光谱范围内通过实验证明了CUP。缺乏紫外线光谱的成像能力,使CUP无法对许多重要的科学瞬态现象进行成像,例如通过四波混合产生紫外线脉冲,以及紫外线脉冲引起的磷酸二氢钾吸收缺陷的形成-弛豫动力学。其次,大多数CUP系统使用数字微镜设备(DMD)对动态事件进行空间编码。作为可编程二进制幅度空间光调制器,DMD由多达数百万个可单独寻址的微镜组成,每个微镜相对于设备表面法线的倾斜角为+ 12°或–12°。结果,在CUP系统中通常需要将DMD放置在Littrow配置中以使入射光后向反射。尽管提供了良好的编码适应性,但这种设计限制了视场(FOV)和CUP的成像速度。最后,TwIST算法仍然是CUP图像重建的主流,(total variation,TV)全变分的正则化往往会在重建过程中引入阶梯伪影,这限制了空间和时间分辨率,并且在x和y尺寸之间的空间分辨率上产生了相当大的各向异性。

为了克服这些限制,研究人员开发了UV-CUP。如下图a所示,动态事件?(?,?,?)由前光学元件成像到定制条纹摄像机(AXIS-2DX,Axis Photonique)的入口(直径41 mm) 本征空间和时间分辨率分别为36µm和6ps。图像通过输入光学系统进一步中继到图案化的钯光电阴极(尺寸为35 mm×10 mm,感测波长范围为200–270 nm),该图形通过光刻技术制成。如下图b所示,通过电子束蒸发将200 nm厚的铬层沉积在1.5 mm厚的熔融石英基板上。使用激光光刻工艺雕刻出伪随机二进制图案(下图c),每个编码像素尺寸为80 µm×80 µm。

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UV-CUP的工作原理。

△图解:a)系统原理图和数据采集。b)图案化的光电阴极的横截面。c)编码掩码的局部视图。

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紧凑的一箱式UV-CUP系统的图示。

与标准相机一样,我们的技术是被动的。它不会产生光线,而是接收光线。因此,我们的光阴极必须对作为紫外线发射的光子敏感。这项设计使我们的技术成为一款独立的系统,很容易集成到各个实验平台中。从成为博士后开始,梁金阳一直致力于开发CUP。

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梁晋阳于2018年Nature发表的每秒数万亿帧的压缩超快摄影系统T-CUP。

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梁晋阳回母校北理工时留影

梁晋阳表示需要两个步骤来操作这个相机。首先,在数据采集中,瞬时事件中的信息被挤压成一个快照。所以,这个采集到的快照与普通相机拍摄的照片完全不一样。第二,这个快照被输入到重建算法中,以检索出电影。下面可以看到这段持续时间在皮秒到纳秒的电影。

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UV-CUP相机制作的移动光子视频

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而这里是另一个视图,显示两个飞秒紫外线脉冲在不同时间到达相机。

划分重建问题

梁晋阳表示拍照只是工作的前半部分,它也必须重建。为此,研究人员与波士顿大学合作开发了一种比标准算法更有效的新算法。它的优势来自于分工。梁教授解释说:“该算法并没有一次性解决重建问题,而是将重建分为较小的问题,可以单独解决。”

通过硬件和软件方面的创新,UV-CUP的成像速度为每秒0.5万亿帧。它以大画幅制作具有1500帧的视频。作为光速成像仪,UV-CUP可以实时看到飞行中的UV光子。“让我深深着迷的是,你能如此细致地看到宇宙中最快的物体。” INRS的硕士研究生,本文的第一作者赖英明说。

这项国际合作开发出的设备,将被送到位于法国的研究实验室 SOLEIL 同步加速器来使物理现象变得可视化。它可以捕捉激光-等离子体的产生,这个现象对于推断材料的特定性质以及紫外线荧光来说很有必要,紫外线荧光对于医疗成像来说很重要,它可以分辨与疾病相关的生物标记物。

本文来源:DOI: 10.1002/lpor.202000122

参考文献:L. Gao, J. Y. Liang, C. Y. Li, L. V. Wang, Nature 2014, 516, 74. DOI: 10.1038/s41377-018-0044-7

标签:成像相机技术系统事件空间图案化显微镜阴极科学研究院消息资讯梁晋阳紫外线瞬态法国


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