多维时空投影超快压缩成像(Multi-dimensional Spatial-Temporal Projection Ultrafast Compressed Imaging, MSP)

《Light-Science & Applications》：Multi-dimensional spatial-temporal projection ultrafast compressed imaging

　　

研究不可重复瞬态现象（如光合能量转移、蛋白质折叠）对深入理解多学科基础至关重要，而单次拍摄超快压缩成像（single-shot ultrafast compressed imaging）为揭示超快动态过程提供了有力手段。该技术原理是将编码后的瞬态现象沿一维空间轴投影至焦平面阵列（focal plane array），并通过压缩感知（Compressed Sensing, CS）重建瞬态数据，可实现太赫兹（THz）帧率下的极高成像序列深度（sequence depth）。然而，这种依赖单维时空投影（Single-dimensional Spatial-Temporal Projection, SSP）的成像方法因抑制非投影方向的空间特征，导致重建分辨率存在严重的方向性约束。该瓶颈严重限制了复杂瞬态特征的观测，阻碍该技术同时兼顾高序列深度与超高空间分辨率。本文提出一种多维时空投影超快压缩成像技术（Multi-dimensional Spatial-Temporal Projection ultrafast compressed imaging, MSP），在传统SSP系统中集成了多角度时空数据投影模块。通过对两套系统所获投影图像进行计算耦合，MSP有效恢复了各向同性频率信息，显著提升了空间分辨率。静态实验表明，MSP的横向（lateral）与纵向（longitudinal）分辨率均达到813 lp mm?1（对应620 nm空间分辨率）。利用MSP，研究人员在单次拍摄60帧采集条件下成功观测到飞秒激光—材料相互作用的瞬态过程，并具有亚微米全向精度。MSP为观测复杂多变瞬态过程提供了新方法，在推进瞬态现象基础研究方面展现出重要潜力。

一、研究背景与意义

传统泵浦—探测（pump-probe）技术需多次重复实验方可重建超快"电影"，无法捕捉光学怪波（optical rogue waves）、惯性约束聚变等不可重复或随机瞬态现象。现有单次拍摄超快主动分幅成像技术（如STAMP、CSMUP、FINCOPA等）受系统复杂度、探测器尺寸及探针光谱带宽限制，捕获帧数较少。单次拍摄超快压缩成像（Compressed Ultrafast Photography, CUP）结合压缩感知与条纹相机（streak camera）或色散元件，可在单次拍摄中获取数十至上百帧，但其核心的一维时空投影使空间频率信息主要集中在垂直于投影方向的轴上，非投影方向空间频率被严重抑制，造成重建图像存在明显的各向异性（anisotropic）分辨率退化——平行投影方向结构清晰、垂直方向模糊，难以平衡高序列深度与超高空间分辨率。为此，研究人员提出多维时空投影超快压缩成像（Multi-dimensional Spatial-Temporal Projection ultrafast compressed imaging, MSP）方法，将多角度时空数据投影模块集成入传统SSP系统，通过计算耦合两类投影图像实现各向同性频率信息恢复，发表于《Light: Science & Applications》。

二、主要关键技术方法

研究人员搭建MSP实验系统：宽带啁啾脉冲（chirped pulse）照明动态场景完成时—频映射；经分光镜（beam splitter, BS）分为两路——一路进入单维时空投影模块，经4f系统由二元编码掩模（binary mask，采用高频增强编码high-frequency enhanced code）空间编码后，通过一维色散光栅（diffraction grating）做一维拉伸投影并由CCD1记录（7通道编码投影）；另一路进入多角度投影模块，经二维衍射光栅（Two-Dimensional Diffraction Grating, TDG2）在环向均匀产生6个角度（30°、90°、150°、210°、270°、330°）的时空投影积分图像由CCD2记录。两路压缩图像输入基于全变分（Total Variation, TV）正则化的两步迭代收缩/阈值算法（Two-step Iterative Shrinkage/Thresholding algorithm, TwIST）进行融合重建，求解病态逆问题以恢复三维数据立方体O(x,y,t)。仿真采用含复杂空间频率特征的静态目标（Logo及径向渐变分辨率板）和动态径向条纹扩散过程，对照组建13通道SSP系统。

三、研究结果

Principle of MSP（MSP原理）

通过正向模型分析表明，SSP一维投影使压缩图像频域信息主要集中于垂直于投影方向，仅保留单一空间频率轴信息，导致重建各向异性。MSP额外获取多角度投影图像，其傅里叶（Fourier）变换呈现多方向频率响应，显著扩展了原始数据对各方向频率成分的感知能力，后端耦合重建可恢复全方向频率信息，在高序列深度下实现均衡空间频率感知的超高分重建。

The optical path details of MSP system（MSP系统光路细节）

详述上述双光路MSP实验装置组成：SSP支路含TDG1复制物体至多编码通道再经一维光栅色散投影；多角度投影支路含TDG2使物沿六方向色散拉伸获多角度积分图。数据采集后送入TV正则化TwIST算法融合重建。

Simulation（仿真实验）

仿真设MSP为7编码通道＋6角度投影共 reconstruction 40帧，SSP对照为13通道同方向编码。静态重建中MSP与真值（Ground Truth, GT）高度一致，归一化均方误差（Normalized Mean Squared Error, NMSE）较SSP分别降低83%和73.8%，结构相似性（Structural Similarity Index Measure, SSIM）提升14.3%和17.7%，傅里叶分析证实MSP补偿了各方向频域信息。动态径向条纹扩散重建中SSP仅能清晰重建平行投影方向条纹，MSP可清晰还原全方向径向扩散条纹；NMSE平均降低56.2%，SSIM平均提升8.9%，证明MSP可行性。

Static performance characterization（静态性能表征）

在60帧高序列深度下，以多方向空间频率特征的"脸谱"图为对象，SSP傅里叶谱呈明显方向差异（垂直投影方向频率占优），MSP通过多角度投影积分实现频率均衡化，全方向特征清晰可视。提取0°与30°方向强度曲线：SSP可分辨截止频率分别为8.47 lp mm^?1和9.65 lp mm^?1，MSP分别达17.84 lp mm^?1和17.75 lp mm^?1，超SSP两倍以上。50×放大分辨率板实验：SSP水平分辨率645 lp mm^?1、垂直仅512 lp mm^?1（明显各向异性），MSP横纵向均达813 lp mm^?1（对应线宽620 nm）。不同放大倍率（1×、10×、50×）比较显示MSP实现各向同性分辨率25 lp mm^?1、203 lp mm^?1、813 lp mm^?1，较SSP横向分辨率提升约25%、纵向提升约59%–127%。

Femtosecond laser-induced ultrafast shock wave expansion（飞秒激光诱导超快冲击波膨胀）

以钛合金表面飞秒激光烧蚀侧视观测冲击波，动态观测窗口256 ps，单次脉冲能量30 μJ，获60连续瞬态帧。SSP重建只能识别冲击波前（shock front, S），MSP还可分辨冲击波前中心微小凸起结构及等离子区周边折射率梯度引起的亮纹。第55帧（t＝234 ps）傅里叶分析显示MSP具更宽频率重建范围，0°与60°方向频率强度曲线表明MSP超越SSP可分辨截止频率，实现亚微米动态分辨率。追踪冲击波前沿距材料表面轴向距离随时间线性增加，双对数拟合斜率为0.61（∝ t^2/3），符合Sedov-Taylor理论一维膨胀行为。

Ultrafast evolution of silicon surface ablated by femtosecond laser（飞秒激光烧蚀硅表面超快演化）

以硅表面飞秒激光烧蚀观测202 ps窗口内60帧演化。MSP重建可见约100 ps后出现牛顿环（Newton's rings，烧蚀层与剩余表面反射干涉形成），反映多方向空间频率成分，SSP未能识别。t＝195.2 ps傅里叶变换及频率强度曲线提取表明MSP显著提升可辨识截止频率并恢复非投影方向频率信息。基于MSP重建提取硅表面相对反射率随时间变化：早期能量吸收致熔化反射率下降，约50 ps达最低，随后强电子激发使表面呈高温高压流体态，烧蚀区高吸收低反射使相对反射率趋于稳定，微波动源于探针光束空间不均匀及啁啙脉冲光谱强度变化。

四、讨论与结论（翻译浓缩）

研究人员通过多维时空投影超快压缩成像（MSP）方法实现了大帧数、极高空间分辨率微观瞬态现象的精确观测。仿真显示重建NMSE降低56%–83%、SSIM提升8.9%–17%；静态实验证实MSP提升各向同性空间分辨率，最高达620 nm（813 lp mm^?1）；飞秒激光—材料烧蚀瞬态过程观测验证MSP可以亚微米动态分辨率捕获更精细信息。MSP通过引入多角度投影积分图像获取图像不同方向频率信息，使重建保真度更高，改善了传统超快压缩成像的各向异性重建问题，是观测超快复杂现象的有力工具。本研究选用百皮秒量级时间窗口，帧率相应为0.23 THz和0.3 THz；探针光时—谱宽度决定MSP系统时域性能，若采用40 fs探针脉冲及80 nm谱宽且能检索光谱相位，时域分辨率可达数十飞秒。重建采用TV正则化TwIST算法，760×620×60数据立方体在Intel i7-10700 @2.90 GHz MATLAB R2020b环境约需15分钟。MSP核心思想将稀疏视角计算层析成像（computed tomography）拓展至超快成像领域；相比需预剪切或多次拍摄的相关技术，MSP在被动探测中通过多孔径达多维投影且单次拍摄即可获高帧数高空间分辨率。当前局限包括二维衍射光栅分光降低各投影通道光子效率需更高探测能量、帧数受限于探测光谱带宽（实验中20.4 nm，可通过超连续谱光源扩展至百帧以上）、照明光束质量影响重建背景噪声（可加空间滤波模块改善）、传统TwIST在强噪或非理想稀疏时易致细节模糊（未来拟采用即插即用Plug-and-Play, PnP框架嵌入深度学习去噪网络）。MSP在飞秒激光—物质相互作用、微纳加工瞬态折射率变化观测、神经元动作电位传播等复杂不可重复系统超快过程研究中具广阔应用前景，耦合长时窗探针光或拓展至被动超快成像可研究纳秒及以上尺度瞬态现象。