光学成像作为一种能够提供丰富信息的可视化方法，在人类探索未知世界的历程中发挥着不可替代的作用。而多维光学成像能够同时获取探测目标多个维度的信息，例如空间、时间、光谱、偏振等等，为观察和分析探测目标提供了更加充分的条件。超快光学成像作为多维光学成像中一种具有超高时间分辨的成像技术，可以捕获皮秒甚至飞秒时间尺度的超快动力学场景，在物理、化学和生物等领域超快现象研究中具有非常广泛的应用价值。

基于泵浦探测的超快成像技术虽然能够获取高分辨的多维度信息，但是其仍然对于聚变冲击波、光学形成等一些不稳定或不可重复的瞬态场景束手无策。幸运的是，基于压缩感知和条纹成像的压缩超快成像(CUP)弥补了传统泵浦探测超快成像方法的不足。CUP因兼具高时间分辨率、高数据通量和单次曝光等特点而备受关注，目前已经被成功应用在超快光子捕捉、光学马赫锥观察和光学混沌动力学探测等超快现象研究中。

在众多超快现象的研究过程中，人们格外关注待测动态场景的空间立体分布及光谱信息，这些信息对于观察超快现象发生的动力学过程并探索其内在的机制尤为关键。近些年来，超快光学成像已经获得迅速的发展，已经发展了多种多维度超快光学成像方法，具备了空间立体或者光谱分辨能力。然而，目前还没有一项能够在单次曝光下同时获取时间-空间-光谱 (x, y, z, t, λ)五维信息的超快光学成像技术。

近期，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室张诗按教授的国际研究团队发明了一种光谱立体压缩超快成像(SV-CUP)，相关成果以Single-shot spectral-volumetric compressed ultrafast photography为题，发表在Advanced Photonics 2021年第4期，并被选为当期封面，如图1所示。

图1 Advanced Photonics 2021年第4期封面

如图2所示，在单次曝光下，可以同时捕获动态场景的空间(三维)，时间(一维)和光谱(一维)五维信息。在该实验系统中，x、y、z方向的空间分辨率分别达到了0.39、0.35和3 mm（8.8 mm ´6.3 mm ´ 15 mm视场下），时间帧间隔为2 ps，光谱帧间隔为1.72 nm。通过对一个表面涂有量子点的立体人偶模型进行光致发光动力学成像，在实验上验证了SV-CUP的五维探测能力，如图3所示。

图2 SV-CUP系统装置图（a）和原理图（b）

图3 SV-CUP五维成像。(a)对表面涂有CdSe量子点的三维人偶模型的光致发光动力学成像的系统示意图；(b)重建的人偶模型三维数据；(c)人偶在不同时间和波长的重建图像；(d) 由SV-CUP数据提取的光致发光动力学曲线(蓝线)及由条纹相机测量的曲线(红线)；(e)由SV-CUP数据提取的荧光光谱曲线(蓝线)及由光谱仪测量出的荧光光谱曲线(红线)；(f)从SV-CUP数据提取的时间分辨光谱;(g)不同光谱成分的荧光寿命

SV-CUP将飞行时间压缩超快成像(ToF-CUP)和高光谱压缩超快成像(HCUP)两种技术巧妙地结合，从单次测量的结果中提取五维信息。其中，ToF-CUP用于提取动态场景的空间三维信息(x, y, z)，而HCUP用于记录空间-时间-光谱四维信息(x, y, t, λ)。根据时间映射关系，将ToF-CUP和HCUP的重构结果进行数据耦合，最终恢复出完整的五维信息(x, y, z, t, λ)。

由此可见，SV-CUP提供了一种拓展超快光学成像维度的新方案，结合了计算成像、压缩感知和图像处理，实现了立体动态场景的高光谱超快成像，表现出了令人振奋的五维成像性能，有望在物理以及生化超快现象的研究中进一步拓宽分析视角，促进相关研究领域的进步与发展。