High-speed mid-infrared imaging via nonlinear multiplexed detection
本文提出了一种高速中红外成像系统，该系统利用时间复用的非线性结构化泵浦将动态场景编码到硅基相机的单次快照中，并通过频率识别算法进行计算重建，从而实现了百万像素分辨率下每秒 10,000 帧的帧率。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，试图用一台天生非常缓慢的相机，去拍摄蜂鸟翅膀的高速视频。在红外光（携带热量和化学信息的光）的世界里，这正是科学家所面临的问题。标准的红外相机就像蜗牛：它们速度慢、价格昂贵，并且难以清晰地捕捉快速移动的物体，尤其是当你需要获得包含数百万个微小细节（百万像素）的图像时。
本文介绍了一种巧妙的技巧，使慢速相机能够像超高速相机一样工作，专门用于捕捉不可见的红外热成像和化学场景。以下是他们如何实现这一点的简明解释：
问题：慢速“蜗牛”相机
将标准红外相机想象成一只试图捕捉高速赛车却行动缓慢的蜗牛。如果赛车移动得太快，蜗牛看到的只是一团模糊。为了获得清晰的图像，蜗牛需要瞬间拍下一张照片。但红外传感器天生缓慢，因为它们由特殊材料制成，读取数据需要时间。如果你试图让它们变快，它们通常会失去捕捉细微细节的能力，或者变得太小而无法实用。
解决方案：“魔法翻译器”与“频闪光”
研究人员构建了一个系统，该系统结合了魔法翻译器与高速频闪光的功能。
魔法翻译器（上转换）：
他们决定不试图让慢速的红外相机变快，而是改变光的“语言”。他们将场景中不可见的红外光“翻译”成可见光（即像手机中的硅基相机能够看到的那种光）。- 如何实现？ 他们使用了一种特殊晶体和强大的激光泵浦源。当红外光照射到晶体上时，它会获得“boost”并转化为可见光。这就像将一条用缓慢、难懂的代码写成的信息，瞬间重写成高速相机能完美理解的语言。这使得他们能够使用标准的、快速的、高清的硅基相机来观察红外世界。
频闪光（时间复用）：
既然他们拥有了高速相机，他们仍然需要在相机仅拍摄一张照片的时间内，捕捉到视频（一系列连续帧）。- 技巧： 他们使用了一种称为 DMD（数字微镜器件）的设备，在光线照射到晶体之前，将其以一系列不同的条纹图案进行闪烁。想象一下，通过一系列不同颜色的条纹模板快速闪烁手电筒。
- 结果： 相机只拍摄了一张照片，但由于光线在不同时间以不同图案闪烁，这张单一的照片实际上是一个“堆叠”了十个不同时间瞬间的图像，它们混合在一起。这就像给舞者拍摄一张长曝光照片，但看到的不是模糊影像，而是十个不同姿势的舞者叠加在一起，每个穿着不同颜色的衬衫。
计算机魔法（解码）：
一旦相机拍摄了那张“堆叠”的照片，计算机就会利用数学（特别是傅里叶变换，这是一种对频率进行排序的方法）来分离这些图层。- 由于每个“姿势”都是使用不同的条纹图案拍摄的，计算机确切地知道图像的哪一部分属于哪个时间点。它们将它们过滤出来，就像按花色整理一副扑克牌一样。
- 突然间，那张单一的照片变成了十个独立的、清晰的视频帧。
成就
通过使用这种方法，该团队成功将其红外视频的速度提高了十倍。
- 之前： 他们的相机每秒可拍摄 1,000 张照片。
- 之后： 他们有效地捕捉到了每秒 10,000 张照片。
他们在不损失任何图像质量（百万像素分辨率）的情况下做到了这一点。他们成功拍摄了一个带有飞机图案的旋转轮子，清晰地捕捉到了运动，使得模糊消失，揭示了飞机快速旋转的景象。
为何这很重要（根据论文所述）
论文指出，这是一件大事，因为它允许科学家实时观察快速且不可见的事件。他们提到了具体的例子，例如：
- 燃烧诊断： 观察火焰如何燃烧和混合。
- 爆炸反应： 观察爆炸瞬间的动态。
- 光合作用追踪： 观察植物如何处理光线。
- 热成像监控： 观察热量的快速移动。
简而言之，他们找到了一种方法，通过转换光线并利用计算机解开时间堆叠的图像，诱使慢速红外相机像高速超级相机一样工作。这为观察以前因太快而无法清晰捕捉的快速、高温和化学事件打开了大门。
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