在光学成像领域，科学家们始终追求对物质本质的精确、真实的表征。然而，在面对超高速瞬态过程时，传统光学成像手段却往往难以胜任，如同人眼无法捕捉到飞速掠过的子弹一般。

超快瞬态现象广泛存在于自然界、工业制造、军事防御以及基础科学研究等领域，典型实例包括激光诱导等离子体的生成、光化学反应的过程、冲击波传播动力学、线虫囊的放电行为、激光诱导荧光以及太赫兹脉冲成像等。这些事件的典型时间尺度为皮秒至飞秒量级，对成像设备提出了每秒万亿帧（Tfps，1012 fps）甚至更高的成像速度需求，远远超过了传统CCD或CMOS探测器所能达到的物理极限。为突破这一瓶颈，超快成像技术逐渐兴起，并迅速成为科研热点。

研究人员的关注不再仅限于传统静态微观图像的高分辨率表征，而是进一步聚焦于瞬态事件在超短时间尺度上的动态捕捉。通过创新性地整合光学系统、机械器件和先进电子技术，超快成像设备成功实现了高达Tfps级别的帧率，从而开启了一扇前所未有的观测窗口。这种技术进步为激光增材制造、生物医学细胞动力学研究、半导体材料载流子动态分析等重要领域带来了突破性的进展，仿佛为科研工作者赋予了洞察瞬间变化过程的“超快之眼”，极大地推动了对复杂物质动力学的深刻理解。

超快成像发展追溯

超快成像的萌芽最早可以追溯到1878年，当时Eadweard Muybridge利用多个相机阵列成功地捕捉到了奔马腾空瞬间的图像¹，这是人类首次突破肉眼30至60 fps的视觉极限，被视为现代快速成像技术的先驱。20世纪初，以旋转反射镜²和棱镜³为代表的机械式高速摄影技术迅速发展，其成像速度可达到百万帧每秒（Mfps）级别。随后，电子技术的快速发展逐步取代机械成像方案，以增强型CCD相机、光电条纹相机等光电子设备为主流的超快成像方法相继涌现。但这些方法仍存在明显局限，例如泵浦-探测方法需要大量重复测量才能获得动态过程；光电条纹相机的观测视场严重受限；改进型CCD和CMOS相机的帧率仍难以突破Mfps量级的物理瓶颈。随着更复杂、更极端瞬态事件的研究需求日益突出，例如飞秒激光加工过程、探测器漂白效应分析、流式细胞动力学研究等传统技术难以企及的领域，单次曝光式超快成像（Single-Shot Ultrafast Imaging）技术应运而生。该方法将先进光学设计、微机电系统和高速计算方法有机结合起来，有效地克服了传统超快成像的技术瓶颈，实现了在单次曝光条件下对超快现象的高精度动态捕捉，极大地拓展了超快成像技术的应用边界和科学潜力。

单次曝光超快成像技术是指相机曝光一次即可实现对高速动态物体的连续拍摄。目前成像主要分为两种形式，分别为单次曝光被动成像和单次曝光主动成像。单次曝光被动成像主要用到条纹相机与压缩感知相结合，美国国家工程院院士汪立宏团队发表在Nature期刊中的CUP（compressed ultrafast photography）⁴是此成像形式的代表技术。CUP的过程为具有超快变换的物体I(x,y,t)经过DMD形成的二维掩模板进行编码，编码后的信息经过条纹相机在时间上拉伸开，最后混合的高维信息成像在CCD上，最后通过压缩感知算法进行解码得到超快动态的影像。上述过程如图1所示。

 

图1 压缩超快摄影术4

 

随之，一些基于CUP拓展的技术和应用如雨后春笋般出现。LLE-CUP（Lossless-encoding compressed ultrafast photography）⁵实现对光学马赫锥（Photonic Mach Cone）的单次实时成像，克服现有超快成像技术对动态光散射事件需多次测量的局限,开发一种能够在单次曝光中记录超快动态场景的新技术；通过理论模型与实验相结合，验证散射光的瞬时动态分布与光速相对传播速度的关系。此外，CUP已经拓展至高维光场信息的捕捉，在保证超快物体探测的前提下，对光场的光谱信息、偏振信息和相位信息进行探测，例如HCUP (Hyperspectrally compressed ultrafast photography)⁶、SP-CUP (Stereo-polarimetric compressed ultrafast photography)⁷和PS-CUP (Polarimetric-spectral-sensitive compressed ultrafast photography)8等。

单次曝光主动成像技术主要包括偏振离散、光谱色散、角度离散、真实空间离散以及傅里叶空间离散等几种方式，如图2所示。真实空间离散方法是通过使用阶梯式光学元件，使单束光在空间路径上产生微小的时间延迟，从而将其分割为多束具有微弱延迟的子探测光。傅里叶空间离散方法则利用结构光在傅里叶空间内的高频信息位置差异，通过滤波和平移技术实现对超快动态图像的有效提取。偏振离散方法则通过编码微透镜阵列，使具有不同偏振态的光在经过超快运动物体时产生不同的传播延迟，以此获得一系列连续的超快动态图像。光谱色散方法利用光脉冲中不同波长与时间之间固有的映射关系，通过色散元件将包含多个波长的单个脉冲光分散到探测器上，进而形成清晰的时间序列图像。角度离散方法通过从不同角度观测探测光与样品之间的相互作用，利用空间角度的差异捕捉超快动态过程中不同时间点的成像信息。这些技术各自发挥其独特优势，协同发展，共同推动了单次曝光主动成像在超快现象研究中的广泛应用和技术进步。

 

图2 单次曝光主动成像技术

 

超快成像未来展望

超快成像不仅关注传统的空间分辨率与目标运动速度，还进一步扩展到光谱、偏振、相位及三维结构等多维信息的同步获取。未来的发展方向之一是在纳米尺度结构（如人工超材料、光子晶体和多层膜）基础上，设计具备高速响应特性的新型成像系统，使其能在极短时间内获取多维光场数据。同时，相比依赖空间调制和主动光学控制的传统超快成像系统，被动式成像架构凭借其结构简洁、无须分割光场等优势，为高维度信息的快速获取提供了更具实用性的解决思路。

在显微成像领域，研究正朝着更高时空分辨率的极限挑战发展，也力图捕捉飞秒级瞬态过程。当前多种显微系统已将图像重建算法、压缩感知技术以及基于深度神经网络的学习策略引入系统设计中，在实现超分辨率的同时，成像速度也得到显著提升。然而，尽管如此，大多数现有系统的时间响应依然停留在毫秒量级，其性能受限于图像传感器与芯片的瓶颈。对此，单次曝光的超快成像技术提出了突破口，它无需多次采样即可捕捉高速事件，因而具有更高的时间分辨率潜力。未来将单次超快成像方法与单次超分辨显微成像融合，将成为实现飞秒级超快超分辨成像的新方向，也是前沿光学成像技术的重要发展趋势。

本文作者

黄晨 中国科学院大学（长春光机所）

参考文献

[1] Clegg, B. The Man Who Stopped Time: The Illuminating Story of Eadweard Muybridge ¬" Pioneer Photographer, Father of the Motion Picture, Murderer. (Joseph Henry Press, 2007).

[2] Davis, W. C. A High-Speed Rotating-Mirror Framing Camera. Appl. Opt., AO 1, 407–409 (1962).

[3] Waddell, J. H. Rotating Prism Design for Continuous Image Compensation Cameras. Appl. Opt., AO 5, 1211–1223 (1966).

[4] Gao, L., Liang, J., Li, C.  Wang, L. V. Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second. Nature 516, 74–77 (2014).

[5] Liang, J. et al. Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse. Sci. Adv. 3, e1601814 (2017).

[6] Yang, C. et al. Hyperspectrally Compressed Ultrafast Photography. Phys. Rev. Lett. 124, 023902 (2020).

[7] Liang, J., Wang, P., Zhu, L.  Wang, L. V. Single-shot stereo-polarimetric compressed ultrafast photography for light-speed observation of high-dimensional optical transients with picosecond resolution. Nat Commun 11, 5252 (2020).

[8] Ding, P. et al. Polarimetric‐Spectral‐Sensitive Compressed Ultrafast Photography Enables Real‐Time Intensity Visualization of Time‐Varying Polarized Ultrafast Laser Pulses. Laser  Photonics Reviews 18, 2300873 (2024).