综述：超快摄影的技术与进展

《Advanced Photonics Research》：Techniques and Advances in Ultrafast Photography

超快摄影技术通过电子、机械和光学方法实现太赫兹帧率成像，突破传统CCD/CMOS的响应限制。按成像策略可分为四类：多帧被动、多帧主动、单帧被动和单帧主动。主动技术如泵探法和时间拉伸成像（STEAM）依赖主动调制光场，而单帧压缩感知技术（CUP系列）通过空间/光谱/极化编码实现单次曝光捕获飞秒级动态。最新进展如FDT、LIFT等结合计算成像和光学编码，将时空分辨率提升至亚飞秒量级。技术挑战包括硬件成本、算法噪声抑制和三维成像扩展。未来方向为高维超快成像与显微技术的融合。

　　超快现象，如冲击波的快速传播、分子振动和电子动力学，通常发生在飞秒（10?1?秒）甚至更短的时间尺度上。传统成像系统受限于电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器的成像速度，难以捕捉这些瞬态事件。为解决这一挑战，研究人员开发了多种超快摄影技术，结合电子、机械和光学方法，实现了每秒万亿帧（Tfps）的成像速度。这些技术可以分为四类：多帧被动摄影、多帧主动摄影、单帧被动摄影和单帧主动摄影。通过这些创新，超快摄影技术在物理学、化学、生物学和工程学等领域得到了广泛应用，为研究超快动态现象提供了新的视角和工具。

超快摄影技术的发展经历了从早期机械和电子高速摄像机到现代光学和计算成像系统的演变。1878年，Eadweard Muybridge使用一系列相机成功捕捉了奔跑中的马的运动，这一成就被视为高速成像的重要里程碑，克服了人眼只能感知30至60帧每秒的物理限制。20世纪初，许多基于胶片的高速摄影机采用机械机制，如旋转镜或棱镜，以减少曝光时间，实现每秒百万帧（Mfps）的成像速度。这些技术用于研究燃烧和爆炸过程。随着电子技术的进步，光学-电子摄像机应运而生，如增强型电荷耦合器件（ICCD）摄像机和光电条纹摄像机。这些摄像机利用微通道板（MCP）图像增强器，可在低光或极短曝光时间内捕捉图像，广泛应用于终端弹道学、爆炸动力学、等离子体物理和机械实验，其中IMACON 200是一个著名的型号。光电条纹摄像机通过将光引导至光电阴极，利用电场调控电子运动，实现飞秒级的时间分辨率。

进入20世纪70年代，光学本身的进步推动了超快摄影的发展。1971年，Duguay利用CS?液体中的光致克尔效应实现了飞秒级的超快摄影。这一创新结合了材料的非线性光学特性与精确的激光脉冲控制，标志着高时间分辨率成像的开始。克尔效应快门促进了超快光学研究的发展，为多种应用提供了关键突破。1978年，Abramson等人引入了全息相干快门并发明了光飞行（LIF）技术，结合相干光源、全息记录和快速快门机制，实现了对光学脉冲在极短时间内动态行为的捕捉和记录，使人们能够观察到光脉冲飞行的全息运动图像。1988年，Zewail引入了泵-探测技术，利用激光技术捕捉分子运动的瞬间，揭示了化学反应中的关键步骤，如键的形成或断裂，实现了飞秒时间尺度上的成像。

随着超快科学不断扩展到更复杂的领域，如飞秒激光加工、超快激光漂白探测器和流式细胞术，传统成像技术在捕捉随机或非重复的瞬态事件时面临固有的局限性。这些方法通常需要重复测量或依赖平均，因此不适合真实记录独特的超快动态。为克服这些瓶颈，近年来开发的单帧超快成像技术应运而生。通过利用光的多种属性（包括偏振、光谱散射、角度信息以及在时域和傅里叶域的表示），结合机械和电子设备的创新以及基于压缩感知的图像重建，这些方法实现了单次曝光即可记录瞬态超快现象。这些进展使单次曝光超快成像成为可能，为研究具有前所未有时空分辨率的动态事件提供了新的途径。例如，STAMP、SF-STAMP和LA-STAMP等技术利用色散激光实现超快分帧成像效果；CUP、UV-CUP、T-CUP和CUST等技术则通过压缩感知进行稀疏采样和图像重建；FRAME和TSFM通过傅里叶域空间-频率过滤实现；FINCOPA和WPMSI利用偏振分裂技术；FDT和LIFT则通过入射角变化实现断层扫描。

本综述将超快摄影技术分为四类，基于成像特性：多帧被动摄影、多帧主动摄影、单帧被动摄影和单帧主动摄影。它全面介绍了这些类别中最先进的超快摄影技术，比较了它们的优势和劣势，并探讨了它们所解决的挑战。综述的结构如下：第2节解释了这四类超快摄影的成像原理，并说明了为何将它们归为这些类别；第3节介绍了各分类中的代表性、先进和突出的超快摄影技术，总结了它们的原理、优势和局限性，特别强调了单帧被动和主动技术；第4节则基于当前超快摄影技术的发展现状，讨论了该领域的未来前景。

超快摄影技术主要分为被动和主动两类，基于其空间和时间特性。被动摄影不需要额外的照明，而是依赖于材料自发或受激发射的光，由探测器捕捉形成图像。这种方法特别适用于荧光显微镜等应用。被动摄影的两种常见形式如图1的左中部分所示。一种方法涉及光学快门，其中CCD传感器按顺序将每个像素捕获的电荷转移到传感器的一端，从而实现信号的放大和转换为模拟格式。另一种方法通过机械或电子手段将时间维度分散到不同的探测器区域，如机械旋转镜和基于光电探测器的条纹摄像机。相比之下，主动摄影依赖于探测光与瞬态事件的相互作用。探测光的空间、光谱、偏振和角度特性被用来捕捉超快动态过程，如图1的右中部分所示。光子所含的丰富信息，如波长、相位、振幅和偏振，极大地扩展了主动摄影的应用潜力，使其在各种环境中高度灵活。

基于曝光方式，超快摄影可以进一步分为多帧和单帧技术。更精细的分类来自于被动和主动两类与成像采集策略（多帧与单帧）的交叉，形成了图1中的四个象限：多帧被动、多帧主动、单帧被动和单帧主动。这些类别分别描述如下：1）多帧被动：这类技术通过多次曝光捕捉超快事件，不依赖主动照明调节，依靠扫描重建和高速检测。硬件方法，如先进的CMOS/CCD架构（例如原位存储图像传感器、背照式设计和多收集门），采用并行读出、区域快门和集成高速ADC实现数百千帧每秒到数百万帧每秒的成像速度。光学-计算方法通过结合条纹摄像机采集和扫描或断层重建，将被动多帧成像扩展到Tfps范围，实现了复杂光-物质相互作用的皮秒级可视化。2）多帧主动：这类技术使用重复的激光脉冲在不同延迟时间或不同光学编码下探测场景。例如，泵-探测成像依赖于泵和探测脉冲之间精确的时间控制，以捕捉不同时间延迟下的动态过程，需要重复事件。另一方面，时间拉伸成像技术如STEAM通过将超短激光脉冲的空间信息编码到光谱中，并利用色散将其映射到时间域，有效地利用光子的光谱和时间特性进行成像。这些方法通常依赖于时间对应或光子的固有光学特性，提供了高帧率和高灵敏度，用于捕捉确定性的超快事件。3）单帧被动：这种方法通常使用空间编码技术，如掩模或数字微镜（DMD），结合压缩感知和计算重建，从单次曝光中恢复动态场景。适用于不需要外部照明或照明不可用的场景，且物体本身能发射或改变光。4）单帧主动：这种方法利用探测光在单次曝光中捕捉瞬态物体，通过解码探测光中的调制信息，建立光的属性与时间之间的对应关系。例如，在啁啾脉冲激光中，光谱和时间信息遵循傅里叶变换关系，通过解码不同的光谱成分，可以捕捉超快物体。这种方法是超快摄影技术研究的重要领域。

在超快摄影技术中，多帧被动成像和多帧主动成像各有优势和局限。多帧被动成像通过多帧数据采集实现高分辨率，但需要机械扫描或重复测量，增加了系统复杂性。多帧主动成像则依赖于重复的激光脉冲和时间延迟控制，能够实现高帧率和高时间分辨率，但需要高精度设备和复杂的实验设置。单帧被动成像通过空间编码和压缩感知实现单次曝光的高分辨率和高时间分辨率，适用于非重复性事件的记录，但对稀疏性和算法依赖较高。单帧主动成像则结合了探测光的调制和高帧率成像，能够捕捉超快事件，但需要高精度设备和复杂的数据处理。

在超快摄影技术的发展中，CUP系列技术（压缩超快摄影）代表了单帧被动摄影的重要进展。CUP技术通过将光信号编码到二维掩模，利用条纹摄像机实现时间拉伸，并通过压缩感知算法重构四维信息（空间、时间和光谱），实现了单次曝光的高帧率和高分辨率。LLE-CUP（无损编码CUP）通过引入双通道互补编码策略，克服了传统CUP系统中“关”像素信息丢失的问题，实现了实时单帧成像。T-CUP通过使用Radon变换减少投影次数，实现了高时间分辨率和高空间分辨率。UV-CUP则通过集成刻蚀的钯光阴极，实现了紫外波段的超快成像，解决了传统CUP系统在光谱范围和成像速度上的局限。LS-CUP结合了平面成像与CUP，实现了高分辨率的火焰成像，为燃烧过程的研究提供了重要数据。

在单帧主动摄影领域，STAMP（顺序时间全光学映射摄影）通过光谱解复用实现单次曝光的高帧率和高分辨率，特别适用于捕捉超快动态事件。SF-STAMP则通过引入光谱滤波，实现了更高的帧数和更灵活的成像速度调整。FACED技术利用自由空间中的角度啁啾增强延迟，实现了高散射和低损耗的超快成像。这些技术通过不同的编码和解码策略，实现了在不同应用场景下的高时间分辨率和高空间分辨率。

超快摄影技术的未来发展方向包括高维超快摄影和超快超分辨率显微镜。高维超快摄影不仅捕捉物体的速度和空间分辨率，还能够获取光谱、偏振、相位和三维空间信息。当前，微型集成光谱成像设备和偏振成像设备已取得进展，但其成像速度仍有限。未来，可以利用人工超材料、光子晶体和纳米多层薄膜实现高维信息捕捉与超快光场捕捉的结合。被动超快摄影通过电子和机械手段捕捉超快事件，无需主动光场分割控制，因此更适合高维光场成像。此外，单帧超快摄影与单帧超分辨率显微镜的结合，可能实现飞秒级的超快超分辨率成像。通过结合人工智能算法和结构照明，可以在单次曝光中恢复原本无法解析的高频信息，从而实现超分辨率显微镜。许多新兴的图像恢复技术，特别是针对超分辨率重建的算法，也能进一步提升空间分辨率。这些技术的发展将为超快成像系统在生物医学诊断、材料科学和光学工程等领域的未来创新提供新的可能性。