《Optics & Laser Technology》：All-optical and active compressed ultrafast photography (AA-CUP)
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压缩超快摄影（CUP）通过单次成像捕捉超高速动态，但传统 streak Camera-only 方法受限于电荷扩散和固定时空剪切。本文系统综述了全光子与主动协同CUP（AA-CUP）框架的进展，包括光学剪切机制创新、压缩比动态调节及多维数据融合，显著提升至十飞秒级时间分辨率和微米级空间分辨率，未来或实现阿秒级与纳米级突破。
卢宇|孟一照|张鹏飞|尹佳欣|陈峰
西安交通大学电子科学与工程学院制造系统工程国家重点实验室与陕西信息光子技术重点实验室，中国西安710049
摘要
压缩超快摄影（CUP）作为一种强大的单次成像技术，能够以超高的帧率和较大的序列深度捕捉动态场景。虽然它提供了一个经过验证的实现平台，但由于其基于被动检测机制的条纹相机，传统的仅使用条纹相机（SCO）的CUP系统在进一步提高时空分辨率和重建保真度方面存在固有限制。近年来，大量的研究工作集中在全光和主动CUP（AA-CUP）框架上。全光CUP通过纯光学手段实现时间剪切，规避了电子色散的限制。主动CUP则在采集前利用可控照明来编码时间或空间信息。这些方法在多个关键性能指标上取得了突破，包括数十飞秒的时间分辨率、几微米级的空间分辨率以及大约1000帧的序列深度。本文旨在解决SCO CUP中的几个根本性限制，探讨了AA-CUP的进展，包括时间剪切机制的改进、压缩比调整、数据压缩策略以及多功能成像能力的扩展。文章最后提出了未来研究方向的展望，以克服现有限制并扩大CUP在各个科学领域的应用范围。
引言
科学研究的不断进步使得发展先进的超快光学成像方法变得越来越重要。这些系统必须实现卓越的时空分辨率，以阐明瞬态现象，包括电子活动[1]、[2]、神经信号[3]、[4]和等离子体动力学[5]、[6]，从而提供对基本物理过程的关键实证见解[7]、[8]。特别是对于像惯性约束聚变中的X射线发射这样的随机或不可重复的超快事件，所需的成像技术要求单次采集并实现最大时间采样[9]、[10]、[11]。近年来，出现了许多能够捕捉飞秒到纳秒时间尺度动态过程的单次超快成像技术，引起了全球的广泛关注[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。其中，压缩超快摄影（CUP）由梁高等人于2014年开发[18]，作为一种特别值得注意的方法，它实现了超过THz的记录帧率，并在一次曝光中捕捉到数百帧[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。CUP系统通过一个光学记录机制工作，该机制通过空间编码、时间剪切和时空积分的顺序过程压缩时空信息，有效地将三维（x,y,t）数据立方体压缩到检测介质上的二维（x,y）表示，然后通过基于压缩感知的算法恢复数据立方体。在早期的CUP实现中，使用条纹相机配置来完成时间剪切[25]、[26]、[27]。这种仅使用条纹相机（SCO）的框架根据当前的理解展示了几个持久的优势，特别是其捕捉自发光现象的能力以及其可调的时间观察窗口，范围从数百飞秒到数十纳秒[20]。然而，这种方法在成像具有高时空复杂性的超快过程时面临固有限制，主要是由于条纹相机的被动检测机制所导致的。首先，SCO框架受到空间电荷效应的根本限制，这会引起空间和时间上的电子色散，从而限制了分辨率[18]。此外，其时间编码过程是固定的且不可适应的，无法在单次采集过程中调整观察数据立方体的大小，严重影响了复杂动态的重建保真度。最后，单向剪切在高压缩比下会导致严重的方向性模糊伪影，显著降低整体图像质量。这些固有的缺点对CUP的记录能力构成了重大限制，特别是在研究激光烧蚀动力学等具有挑战性的超快现象时，例如在精密加工[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、激光-等离子体加速过程[33]、[34]、[35]和细胞级生物组织动力学[36]、[37]、[38]中，高空间细节和时间精度都是必不可少的。
随着新兴技术的发展，超快成像领域已经发生了显著变化，这些技术遵循CUP的基本原理，同时开发了超出SCO框架的替代记录方法。这些发展主要包括全光和主动CUP（AA-CUP）系统及其混合配置[39]、[40]、[41]。全光CUP架构完全通过光学组件完成整个成像链——空间编码、时间剪切和时空积分，CCD/CMOS相机仅作为记录设备。这种方法因此规避了条纹相机系统中由电子色散引起的保真度下降。主动CUP使用探针脉冲照亮目标动态，随后的信号捕获可以通过各种检测方案完成，这些方案可能包含也可能不包含条纹相机，从而在压缩比调整方面提供了更大的灵活性，并实现了更复杂的数据立方体压缩策略，特别是在与全光配置集成时。这些方法的结合在多个性能指标上显示出可测量的改进，包括数十飞秒级的时间分辨率[42]、[43]、几微米级的空间分辨率[44]、[45]、单次序列深度达到大约1000帧[41]、[46]，以及扩展的多维感知能力[47]、[48]。利用超短脉冲生成技术[49]、[50]、[51]、空间编码压缩策略[52]、[53]和AI增强重建算法[54]、[55]的进步，AA-CUP继续推动该领域的发展，未来有可能实现阿秒级的时间分辨率和纳米级的空间分辨率。
在这篇综述中，系统地讨论了基于全光、主动或混合框架的最先进CUP技术。第2章介绍了通过仅使用条纹相机（SCO）框架的压缩超快摄影（CUP）的基本原理，该框架为该领域建立了核心范式，但也揭示了AA-CUP旨在解决的关键限制。在此基础上，第3章随后探讨了保持类似数据压缩策略的代表性全光技术。第4章深入研究了通过增强编码通道或优化数据立方体大小来显著降低压缩比的先进AA-CUP技术，这对于观察具有高空间复杂性的超快动态至关重要。第5章讨论了超越单向剪切的替代压缩框架，强调了能够高保真度重建具有全方向复杂性的动态或抑制帧间串扰以支持极高帧深度的方法。第6章探讨了AA-CUP中感知维度的扩展，包括超快光谱体积和相位敏感成像。最后，将提供对AA-CUP方法当前发展的总结以及对这项技术未来的展望。
节选内容
压缩超快摄影及其仅使用条纹相机框架的原理
压缩超快摄影（CUP）的核心原理是从单个压缩的二维测量E(x'', y'')重建一个三维超快动态场景I(x, y, t)，数据大小显著减小[18]、[20]、[21]。这种单次采集过程从根本上受压缩感知理论[56]、[57]的支配。如图1(a)所示，该原理的实施涉及三个依次执行的操作
通过高速旋转镜实现的时间剪切
2019年，刘X等人提出了一种名为压缩光学条纹超高速摄影（COSUP）的超高速成像方法，其中使用振镜扫描仪（GS）代替了条纹相机来实现时间剪切操作[40]。COSUP的原理如图2(a)所示，涉及光学组件的复杂交互：首先将瞬态场景成像到数字微镜设备（DMD）上进行空间编码。然后对空间编码的帧进行
基于离散照明的压缩超快摄影
由于SCO CUP技术的固有限制，观察具有高时空复杂性的超快动态仍然具有挑战性。一个根本性的限制是它们无法进行时间编码，导致所有光学信息在整个单次曝光期间被积分。因此，复杂动态场景的重建保真度受到严重影响。在主动CUP系统中，可以通过探针的时间编码来解决这一限制
压缩超快光谱摄影（CUSP）
2020年，王等人引入了压缩超快光谱摄影（CUSP），这是一种单次成像技术，通过双轴时间剪切实现了卓越的时间分辨率和序列深度[41]。如图7(a)所示，CUSP使用一系列啁啾脉冲来探测飞秒级动态场景，每个波长编码一个不同的时间点。来自动态场景的光首先进行空间编码，然后通过衍射水平分散
光谱体积压缩超快摄影（SV-CUP）
与CUP相关的是，可以利用主动检测技术基于飞行时间（ToF）原理收集背散射光来捕获物体的三维信息。这一概念最初由梁等人在2015年作为ToF-CUP[80]展示，并由丁等人在2021年通过开发光谱体积压缩超快摄影（SV-CUP）[48]进一步改进。该技术能够解析超快时间（t）和光谱（λ）动态
结论与展望
总之，全光和主动检测框架的采用显著提升了CUP技术的性能和功能能力。表1提供了代表性AA-CUP技术的比较总结，包括它们的检测模式、压缩比、剪切策略、检测维度和其他主要参数，以清晰地概述当前的技术水平。基于这一比较框架，我们现在总结关键
CRediT作者贡献声明
卢宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，概念化。孟一照：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。张鹏飞：撰写 – 原始草稿。尹佳欣：撰写 – 原始草稿。陈峰：撰写 – 审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（12127806, 62175195, 12304382）和陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-ON-0642）的支持。
