光學成像作為一種能夠提供豐富信息的可視化方法，在人類探索未知世界的歷程中發揮著不可替代的作用。而多維光學成像能夠同時獲取探測目標多個維度的信息，例如空間、時間、光譜、偏振等等，為觀察和分析探測目標提供了更加充分的條件。超快光學成像作為多維光學成像中一種具有超高時間分辨的成像技術，可以捕獲皮秒甚至飛秒時間尺度的超快動力學場景，在物理、化學和生物等領域超快現象研究中具有非常廣泛的應用價值。

基于泵浦探測的超快成像技術雖然能夠獲取高分辨的多維度信息，但是其仍然對于聚變沖擊波、光學形成等一些不穩定或不可重復的瞬態場景束手無策。幸運的是，基于壓縮感知和條紋成像的壓縮超快成像(CUP)彌補了傳統泵浦探測超快成像方法的不足。CUP因兼具高時間分辨率、高數據通量和單次曝光等特點而備受關注，目前已經被成功應用在超快光子捕捉、光學馬赫錐觀察和光學混沌動力學探測等超快現象研究中。

在眾多超快現象的研究過程中，人們格外關注待測動態場景的空間立體分布及光譜信息，這些信息對于觀察超快現象發生的動力學過程并探索其內在的機制尤為關鍵。近些年來，超快光學成像已經獲得迅速的發展，已經發展了多種多維度超快光學成像方法，具備了空間立體或者光譜分辨能力。然而，目前還沒有一項能夠在單次曝光下同時獲取時間-空間-光譜 (x, y, z, t, λ)五維信息的超快光學成像技術。

近期，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室張詩按教授的國際研究團隊發明了一種光譜立體壓縮超快成像(SV-CUP)，相關成果以Single-shot spectral-volumetric compressed ultrafast photography為題，發表在Advanced Photonics 2021年第4期，并被選為當期封面，如圖1所示。

圖1 Advanced Photonics 2021年第4期封面

如圖2所示，在單次曝光下，可以同時捕獲動態場景的空間(三維)，時間(一維)和光譜(一維)五維信息。在該實驗系統中，x、y、z方向的空間分辨率分別達到了0.39、0.35和3 mm（8.8 mm ´6.3 mm ´ 15 mm視場下），時間幀間隔為2 ps，光譜幀間隔為1.72 nm。通過對一個表面涂有量子點的立體人偶模型進行光致發光動力學成像，在實驗上驗證了SV-CUP的五維探測能力，如圖3所示。

圖2 SV-CUP系統裝置圖（a）和原理圖（b）

圖3 SV-CUP五維成像。(a)對表面涂有CdSe量子點的三維人偶模型的光致發光動力學成像的系統示意圖；(b)重建的人偶模型三維數據；(c)人偶在不同時間和波長的重建圖像；(d) 由SV-CUP數據提取的光致發光動力學曲線(藍線)及由條紋相機測量的曲線(紅線)；(e)由SV-CUP數據提取的熒光光譜曲線(藍線)及由光譜儀測量出的熒光光譜曲線(紅線)；(f)從SV-CUP數據提取的時間分辨光譜;(g)不同光譜成分的熒光壽命

SV-CUP將飛行時間壓縮超快成像(ToF-CUP)和高光譜壓縮超快成像(HCUP)兩種技術巧妙地結合，從單次測量的結果中提取五維信息。其中，ToF-CUP用于提取動態場景的空間三維信息(x, y, z)，而HCUP用于記錄空間-時間-光譜四維信息(x, y, t, λ)。根據時間映射關系，將ToF-CUP和HCUP的重構結果進行數據耦合，最終恢復出完整的五維信息(x, y, z, t, λ)。

由此可見，SV-CUP提供了一種拓展超快光學成像維度的新方案，結合了計算成像、壓縮感知和圖像處理，實現了立體動態場景的高光譜超快成像，表現出了令人振奮的五維成像性能，有望在物理以及生化超快現象的研究中進一步拓寬分析視角，促進相關研究領域的進步與發展。