通过每秒处理数万亿帧来突破光学成像的极限

发布时间：2024-04-12 16:22:40 栏目：精选知识

导读 梁金阳教授的团队正在利用新型超快相机系统提高成像速度。追求更高的速度不仅仅是运动员的专利。研究人员也可以通过他们的发现实现这样的壮...

梁金阳教授的团队正在利用新型超快相机系统提高成像速度。



追求更高的速度不仅仅是运动员的专利。研究人员也可以通过他们的发现实现这样的壮举。国家科学研究所(INRS)梁金阳教授及其团队的研究成果近期发表在 《自然·通讯》杂志上 。

位于 INRS Énergie Matériaux Télécommunications 研究中心的团队开发了一种新型超快相机系统，每秒可捕捉高达 156.3 万亿帧，精度惊人。首次实现单次超快退磁的二维光学成像。这种名为 SCARF(扫码孔径实时飞秒摄影术)的新设备可以捕获半导体中的瞬态吸收和金属合金的超快退磁。这种新方法将有助于推动现代物理学、生物学、化学、材料科学和工程学等广泛领域的知识前沿。

改进过去的进步

梁教授作为超快成像领域的先驱而闻名于世。 2018 年，他作为主要开发者在该领域取得了重大突破，为 SCARF 的发展奠定了基础。

到目前为止，超快相机系统主要使用一种逐帧顺序捕捉帧的方法。他们将通过简短、重复的测量来获取数据，然后将所有内容组合在一起制作一部重建所观察到的运动的电影。

“然而，这种方法只能应用于惰性样品或每次都以完全相同的方式发生的现象。脆弱的样品，更不用说不可重复的现象或超快速度的现象，用这种方法都无法观察到。”

梁金阳教授 ， 超快生物光子成像专家

“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无法通过这种方式进行研究，”梁金阳解释道。

梁教授开发的第一个工具帮助填补了这一空白。 T-CUP(每秒万亿帧压缩超快摄影)系统基于被动飞秒成像，能够每秒采集十万亿(10 13 )帧。这是迈向超快、单次实时成像的重要第一步。

但挑战依然存在。

“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。”

Miguel Marquez，博士后研究员，该研究的共同第一作者

SCARF 克服了这些挑战。其成像模式能够超快扫描静态编码孔径，同时不会剪切超快现象。这可为带有电荷耦合器件 ( CCD ) 的相机上的各个像素提供高达 156.3 THz 的全序列编码率。这些结果可以在反射和透射模式下以可调帧速率和空间尺度单次获得。

一系列应用

SCARF 使得观察超快、不可重复或难以再现的独特现象成为可能，例如活细胞或物质中的冲击波力学。这些进步有可能用于开发更好的药剂和医疗方法。

更重要的是，SCARF 承诺带来非常有吸引力的经济副产品。 Axis Photonique 和 Few-Cycle 两家公司已经与梁教授的团队合作，生产其正在申请专利的发现的可销售版本。这对魁北克来说是一个绝佳的机会，可以巩固其作为光子学领导者的令人羡慕的地位。