1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 Laboratory of Applied Computational Imaging，Centre Énergie Matériaux Télécommunications，Institut National de la Recherche Scientifique，Université du Québec，Québec J3X1P7，Canada
高速成像技术在物理、化学、生物医学、材料科学及工业等众多领域扮演着十分重要的角色。受电荷存储和读取速度的限制，基于电子成像器件的数码相机成像速度难以进一步提高。近年来，随着成像新技术的发展，超高速和极高速光学成像的性能已得到显著提升，具备更高的时间分辨率、空间分辨率及更大的序列深度等。介绍高速成像技术的发展历程，根据成像方式，将近年来具有代表性的新型超高速和极高速光学成像技术分为直接成像和编码计算成像两个类别。分别介绍和讨论各种新型超高速和极高速光学成像技术的概念和原理，并比较各自的优缺点。最后，对这一领域的发展趋势和前景进行展望。本文旨在帮助研究者系统了解超高速和极高速光学成像技术的基本知识、最新研究发展趋势和潜在应用，为该领域科学研究提供参考。
高速成像 超高速成像 极高速成像 时间分辨率 空间分辨率 序列深度 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211020
Yuting Xiao 1,2,4†Lianwei Chen 1,2,3,4†Mingbo Pu 1,2,3,4,*Mingfeng Xu 1,2,3,4[ ... ]Xiangang Luo 1,2,4,**
Author Affiliations
Abstract
1 National Key Laboratory of Optical Field Manipulation Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
2 State Key Laboratory of Optical Technologies on Nano-Fabrication and Micro-Engineering, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
3 Research Center on Vector Optical Fields, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
4 School of Optoelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Super-resolution (SR) microscopy has dramatically enhanced our understanding of biological processes. However, scattering media in thick specimens severely limits the spatial resolution, often rendering the images unclear or indistinguishable. Additionally, live-cell imaging faces challenges in achieving high temporal resolution for fast-moving subcellular structures. Here, we present the principles of a synthetic wave microscopy (SWM) to extract three-dimensional information from thick unlabeled specimens, where photobleaching and phototoxicity are avoided. SWM exploits multiple-wave interferometry to reveal the specimen’s phase information in the area of interest, which is not affected by the scattering media in the optical path. SWM achieves ~0.42 λ/NA resolution at an imaging speed of up to 106 pixels/s. SWM proves better temporal resolution and sensitivity than the most conventional microscopes currently available while maintaining exceptional SR and anti-scattering capabilities. Penetrating through the scattering media is challenging for conventional imaging techniques. Remarkably, SWM retains its efficacy even in conditions of low signal-to-noise ratios. It facilitates the visualization of dynamic subcellular structures in live cells, encompassing tubular endoplasmic reticulum (ER), lipid droplets, mitochondria, and lysosomes.
super-resolution anti-scattering unlabeled high temporal resolution Opto-Electronic Science
2023, 2(11): 230037
1 中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051
2 中国航天科工集团第六研究院六〇一所，内蒙古 呼和浩特 010010
3 北京大学电子学院，北京 100084
提出一种多相机共光路层析成像方法，对火焰的时空演化特性进行表征。首先，在成像光路结构中利用级联分光棱镜将光能量分配到不同探测通道，在同步控制器驱动下，成像系统能够对瞬态火焰的不同断面同时进行聚焦。其次，建立光学层析系统的空间物像映射关系，基于反卷积算法实现火焰不同断面位置处自发辐射特性的数值解析。实验结果表明，不同相机能够同步独立地获取火焰辐射信息，可实现对动态火焰的高空间分辨率测试。
成像系统 层析重构 分光探测 物像映射 动态火焰 高时空分辨率
1 中国科学院上海高等研究院基础交叉研究中心, 上海 201210
2 中国科学院大学微电子学院, 北京 100049
超分辨荧光显微技术一直是研究热点,各种超分辨荧光成像技术的出现打破了光学衍射极限,将空间分辨率提高到纳米尺度。但随着时间、空间分辨率要求的不断提高,目前超分辨荧光显微技术仍然面临着空间分辨率、时间分辨率和视场存在三角制约关系及探测灵敏度较低的问题。随着近年来基于量子关联的新型成像机制的发展,基于荧光量子特性与量子关联成像的超分辨荧光显微镜应运而生,新成像模式及新物理量的引入不仅增加了信息量也提高了图像信息获取的效率,为超分辨荧光显微技术的研究提供了新思路。介绍了目前超分辨荧光显微镜的技术原理、优缺点与面临的主要技术问题,以及基于量子关联的新型超分辨荧光显微镜,并探讨了未来超分辨荧光显微镜的发展方向,以期为该领域的科学研究提供参考。
成像系统 荧光显微镜 超分辨显微镜 量子关联 探测灵敏度 时间分辨率 激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011012
1 钱学森空间技术实验室, 北京 100094
2 中国空间技术研究院, 北京 100094
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)被认为是一种具有良好综合性能的单光子探测技术,其优异的时间分辨能力使得该器件在量子精密测量和时变天文观测等领域具有广泛的应用。从热周期、电周期和时间抖动三个方面,综述了SNSPD时间分辨率的影响因素、内在的物理机制、内禀极限以及可能的优化方向,并介绍了本课题组最近关于X射线SNSPDs的时间分辨率研究。SNSPDs的研究有助于揭示超导纳米线单光子探测技术内在的物理机制,对其在时间测量相关的实际工程中的应用具有价值。
成像系统 时间分辨率 超导纳米线 单光子探测 时间抖动 激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011006
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, People’s Republic of China
2 School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, People’s Republic of China
3 School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, People’s Republic of China
4 Department of Mechanical Engineering, Iowa State University, Ames, IA 50011, United States of America
Laser-assisted manufacturing (LAM) is a technique that performs machining of materials using a laser heating process. During the process, temperatures can rise above over 2000 ?C. As a result, it is crucial to explore the thermal behavior of materials under such high temperatures to understand the physics behind LAM and provide feedback for manufacturing optimization. Raman spectroscopy, which is widely used for structure characterization, can provide a novel way to measure temperature during LAM. In this review, we discuss the mechanism of Raman-based temperature probing, its calibration, and sources of uncertainty/error, and how to control them. We critically review the Raman-based temperature measurement considering the spatial resolution under near-field optical heating and surface structure-induced asymmetries. As another critical aspect of Raman-based temperature measurement, temporal resolution is also reviewed to cover various ways of realizing ultrafast thermal probing. We conclude with a detailed outlook on Raman-based temperature probing in LAM and issues that need special attention.
Raman spectroscopy temperature response spatial resolution temporal resolution ultrafast characterization International Journal of Extreme Manufacturing
2020, 2(3): 032004
1 深圳大学物理与光电工程学院, 广东 深圳 518060
2 南阳理工学院计算机与信息工程学院, 河南 南阳 473500
研制了一种脉冲展宽型X射线光电二极管,并利用飞秒激光进行了验证。在光电阴极加载随时间变化的斜坡脉冲,使阴极与栅网之间产生一个随时间变化的电场,变化的电场赋予光电子轴向的速度色散,使较早产生的电子的移动速度快于较晚出现的电子。光电子进入漂移区,在到达微通道板(MCP)前被展宽,放大后的信号由示波器读出。应用脉冲展宽技术后,探测器的响应时间可提高约11倍。
超快激光 X光电二极管 脉冲展宽技术 时间分辨 透射式阴极 展宽倍率 光学学报
2020, 40(10): 1032001
中国电子科技集团公司第五十五研究所, 南京 210016
分别介绍了不同类型的条纹管超高速探测器件、组件的工作原理、结构组成和基本性能参数。详细论述了两种典型结构条纹管器件的结构特点,工作原理, 空间分辨率和时间分辨率测试。此外, 还介绍了两种条纹管组件的结构, 工作原理和实际测试结果。条纹管器件和组件采用独特的结构设计、实现超高速时空转换, 获得了皮秒级乃至飞秒级的时间分辨率, 是目前时间分辨率最高的光电探测器件。基于高时间分辨率性能的拓展, 条纹管器件和组件在惯性约束、激光雷达和科学研究等超高速探测领域具有广泛的应用前景。
条纹管 条纹相机 时间分辨率 高速信号探测 激光雷达 streak tube streak camera temporal resolution high speed signal detection laser radar
