Breathtaking innovations in optical imaging have opened new exciting avenues for science, industry, and medicine over the last few decades. One of such innovations is optical time-stretch imaging—an emerging method for ultrafast optical imaging that builds on temporally stretching broadband pulses by using dispersive properties of light in both spatial and temporal domains. It achieves continuous image acquisition at an ultrahigh frame rate of 10–1000 million frames per second by overcoming technical and fundamental limitations that exist in traditional imaging methods. By virtue of its inherent affinity with optical signal processing, optical time-stretch imaging can be combined with various optical techniques such as amplification, nonlinear processing, compressive sensing, and pattern correlation to realize unique capabilities that are not possible with the traditional imaging methods. Applications enabled by such capabilities are versatile and include surface inspection, surface vibrometry, particle analysis, and cell screening. In this paper, we review the principles and limitations of conventional optical imaging, the principles and applications of optical time-stretch imaging, and discuss our future perspective.

1.
E.
Betzig
,
G. H.
Patterson
,
R.
Sougrat
,
O. W.
Lindwasser
,
S.
Olenych
,
J. S.
Bonifacino
,
M. W.
Davidson
,
J.
Lippincott-Schwartz
, and
H. F.
Hess
,
Science
313
,
1642
(
2006
).
2.
S. W.
Hell
,
Science
316
,
1153
(
2007
).
3.
W. E.
Moerner
and
L.
Kador
,
Phys. Rev. Lett.
62
,
2535
(
1989
).
4.
M. J.
Rust
,
M.
Bates
, and
X.
Zhuang
,
Nat. Methods
3
,
793
(
2006
).
5.
D.
Huang
,
E. A.
Swanson
,
C. P.
Lin
,
J. S.
Schuman
,
W. G.
Stinson
,
W.
Chang
,
M. R.
Hee
,
T.
Flotte
,
K.
Gregory
,
C. A.
Puliafito
, and
J. G.
Fujimoto
,
Science
254
,
1178
(
1991
).
6.
W.
Drexler
,
U.
Morgner
,
R. K.
Ghanta
,
F. X.
Kartner
,
J. S.
Schuman
, and
J. G.
Fujimoto
,
Nat. Med.
7
,
502
(
2001
).
7.
H.
Liang
,
M. G.
Cid
,
R. G.
Cucu
,
G. M.
Dobre
,
A. G.
Podoleanu
,
J.
Pedro
, and
D.
Saunders
,
Opt. Express
13
,
6133
(
2005
).
8.
G. H.
Ballantyne
,
Surg. Endosc. Other Interventional Tech.
16
,
1389
(
2002
).
9.
A. A.
Gowen
,
C. P.
O'Donnell
,
P. J.
Cullen
,
G.
Downey
, and
J. M.
Frias
,
Trends Food Sci. Technol.
18
,
590
(
2007
).
10.
X. M.
Xiao
,
S.
Boles
,
J. Y.
Liu
,
D. F.
Zhuang
,
S.
Frolking
,
C. S.
Li
,
W.
Salas
, and
B.
Moore
,
Remote Sens. Environ.
95
,
480
(
2005
).
11.
Y.
De Wilde
,
F.
Formanek
,
R.
Carminati
,
B.
Gralak
,
P.-A.
Lemoine
,
K.
Joulain
,
J.-P.
Mulet
,
Y.
Chen
, and
J.-J.
Greffet
,
Nature
444
,
740
(
2006
).
12.
Z.
Pan
,
Y.-Y.
Lu
, and
F.
Liu
,
Nat. Mater.
11
,
58
(
2012
).
13.
A.
Plaza
,
J. A.
Benediktsson
,
J. W.
Boardman
,
J.
Brazile
,
L.
Bruzzone
,
G.
Camps-Valls
,
J.
Chanussot
,
M.
Fauvel
,
P.
Gamba
,
A.
Gualtieri
,
M.
Marconcini
,
J. C.
Tilton
, and
G.
Trianni
,
Remote Sens. Environ.
113
,
S110
(
2009
).
14.
N.
Gupta
and
V.
Voloshinov
,
Appl. Opt.
43
,
2752
(
2004
).
15.
L. E.
Corum
and
V.
Hlady
,
Biomaterials
31
,
3148
(
2010
).
16.
Z.
Darzynkiewicz
,
G.
Juan
,
X.
Li
,
W.
Gorczyca
,
T.
Murakami
, and
F.
Traganos
,
Cytometry
27
,
1
(
1997
).
17.
J.
Michel
,
J.
Liu
, and
L. C.
Kimerling
,
Nat. Photonics
4
,
527
(
2010
).
18.
G.
Konstantatos
and
E. H.
Sargent
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
391
(
2010
).
19.
M.
Bigas
,
E.
Cabruja
,
J.
Forest
, and
J.
Salvi
,
Microelectron. J.
37
,
433
(
2006
).
20.
P.
Marquet
,
B.
Rappaz
,
P. J.
Magistretti
,
E.
Cuche
,
Y.
Emery
,
T.
Colomb
, and
C.
Depeursinge
,
Opt. Lett.
30
,
468
(
2005
).
21.
J. F.
Wang
,
M. S.
Gudiksen
,
X. F.
Duan
,
Y.
Cui
, and
C. M.
Lieber
,
Science
293
,
1455
(
2001
).
22.
W.
Denk
,
J. H.
Strickler
, and
W. W.
Webb
,
Science
248
,
73
(
1990
).
23.
K.
Goda
,
K. K.
Tsia
, and
B.
Jalali
,
Nature
458
,
1145
(
2009
).
24.
L.
Gao
,
J.
Liang
,
C.
Li
, and
L. V.
Wang
,
Nature
516
,
74
(
2014
).
25.
K.
Nakagawa
,
A.
Iwasaki
,
Y.
Oishi
,
R.
Horisaki
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Nakamura
,
K.
Hirosawa
,
H.
Liao
,
T.
Ushida
,
K.
Goda
,
F.
Kannari
, and
I.
Sakuma
,
Nat. Photonics
8
,
695
(
2014
).
26.
E. D.
Diebold
,
B. W.
Buckley
,
D. R.
Gossett
, and
B.
Jalali
,
Nat. Photonics
7
,
806
(
2013
).
27.
K.
Goda
,
K. K.
Tsia
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
131109
(
2008
).
28.
B.
Jalali
,
D. R.
Solli
,
K.
Goda
,
K.
Tsia
, and
C.
Ropers
,
Eur. Phys. J.: Spec. Top.
185
,
145
(
2010
).
29.
K.
Goda
,
A.
Fard
,
O.
Malik
,
G.
Fu
,
A.
Quach
, and
B.
Jalali
,
Opt. Express
20
,
19612
(
2012
).
30.
K. K.
Tsia
,
K.
Goda
,
D.
Capewell
, and
B.
Jalali
,
Opt. Lett.
34
,
2099
(
2009
).
31.
T. T. W.
Wong
,
A. K. S.
Lau
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
Opt. Lett.
37
,
3330
(
2012
).
32.
F.
Xing
,
H.
Chen
,
M.
Chen
,
S.
Yang
, and
S.
Xie
,
Appl. Opt.
52
,
7049
(
2013
).
33.
F.
Xing
,
H.
Chen
,
C.
Lei
,
Z.
Weng
,
M.
Chen
,
S.
Yang
, and
S.
Xie
,
Photonics Res.
2
,
B31
(
2014
).
34.
X.
Wei
,
A. K. S.
Lau
,
Y.
Xu
,
C.
Zhang
,
A.
Mussot
,
A.
Kudlinski
,
K. K.
Tsia
, and
K. K. Y.
Wong
,
Opt. Lett.
39
,
5989
(
2014
).
35.
J.
Xu
,
C.
Zhang
,
J.
Xu
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
Opt. Lett.
39
,
622
(
2014
).
36.
M. H.
Asghari
and
B.
Jalali
,
Chin. Sci. Bull.
59
,
2649
(
2014
).
37.
M. H.
Asghari
and
B.
Jalali
,
IEEE Signal Process. Lett.
21
,
829
(
2014
).
38.
H.
Gao
,
M. H.
Asghari
, and
B.
Jalali
,
IEEE Photonics J.
7
,
5900310
(
2015
).
39.
C. L.
Chen
,
A.
Mahjoubfar
, and
B.
Jalali
,
PLoS One
10
,
e0125106
(
2015
).
40.
B. T.
Bosworth
,
J. R.
Stroud
,
D. N.
Tran
,
T. D.
Tran
,
S.
Chin
, and
M. A.
Foster
,
Opt. Express
23
,
10521
(
2015
).
41.
Q.
Guo
,
H.
Chen
,
Z.
Weng
,
M.
Chen
,
S.
Yang
, and
S.
Xie
,
Biomed. Opt. Express
6
,
3610
(
2015
).
42.
S. H.
Kim
,
K.
Goda
,
A.
Fard
, and
B.
Jalali
,
Opt. Lett.
36
,
220
(
2011
).
43.
A.
Yazaki
,
C.
Kim
,
J.
Chan
,
A.
Mahjoubfar
,
K.
Goda
,
M.
Watanabe
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
251106
(
2014
).
44.
H.
Chen
,
C.
Wang
,
A.
Yazaki
,
C.
Kim
,
K.
Goda
, and
B.
Jalali
,
Appl. Opt.
52
,
4072
(
2013
).
45.
F.
Xing
,
H.
Chen
,
S.
Xie
, and
J.
Yao
,
J. Lightwave Technol.
33
,
396
(
2015
).
46.
A.
Mahjoubfar
,
K.
Goda
,
A.
Ayazi
,
A.
Fard
,
S. H.
Kim
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
101107
(
2011
).
47.
K.
Goda
,
A.
Mahjoubfar
,
C.
Wang
,
A.
Fard
,
J.
Adam
,
D. R.
Gossett
,
A.
Ayazi
,
E.
Sollier
,
O.
Malik
,
E.
Chen
,
Y.
Liu
,
R.
Brown
,
N.
Sarkhosh
,
D.
Di Carlo
, and
B.
Jalali
,
Sci. Rep.
2
,
5900310
(
2012
).
48.
M.
Ugawa
,
C.
Lei
,
T.
Nozawa
,
T.
Ideguchi
,
D. D.
Carlo
,
S.
Ota
,
Y.
Ozeki
, and
K.
Goda
,
Opt. Lett.
40
,
4803
(
2015
).
49.
A. M.
Fard
,
A.
Mahjoubfar
,
K.
Goda
,
D. R.
Gossett
,
D.
Di Carlo
, and
B.
Jalali
,
Biomed. Opt. Express
2
,
3387
(
2011
).
50.
K.
Goda
,
A.
Ayazi
,
D. R.
Gossett
,
J.
Sadasivam
,
C. K.
Lonappan
,
E.
Sollier
,
A. M.
Fard
,
S. C.
Hur
,
J.
Adam
,
C.
Murray
,
C.
Wang
,
N.
Brackbill
,
D.
Di Carlo
, and
B.
Jalali
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
11630
(
2012
).
51.
T. T.
Wong
,
A. K.
Lau
,
K. K.
Ho
,
M. Y.
Tang
,
J. D.
Robles
,
X.
Wei
,
A. C.
Chan
,
A. H.
Tang
,
E. Y.
Lam
,
K. K.
Wong
,
G. C.
Chan
,
H. C.
Shum
, and
K. K.
Tsia
,
Sci. Rep.
4
,
3656
(
2014
).
52.
A. K. S.
Lau
,
T. T. W.
Wong
,
K. K. Y.
Ho
,
M. T. H.
Tang
,
A. C. S.
Chan
,
X.
Wei
,
E. Y.
Lam
,
H. C.
Shum
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
J. Biomed. Opt.
19
,
076001
(
2014
).
53.
J.
Xu
,
X.
Wei
,
L.
Yu
,
C.
Zhang
,
J.
Xu
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
Biomed. Opt. Express
6
,
1340
(
2015
).
54.
E. R.
Fossum
,
IEEE Trans. Electron Devices
44
,
1689
(
1997
).
55.
A.
Gorg
,
W.
Weiss
, and
M. J.
Dunn
,
Proteomics
4
,
3665
(
2004
).
56.
G. C.
Holst
and
T. S.
Lomheim
,
CMOS/CCD Sensors and Camera Systems
(
Society of Photo Optical
,
2007
).
57.
N.
Nishino
,
K.
Takahashi
,
H.
Kawazome
,
Y.
Fukagawa
,
T.
Mizuuchi
,
K.
Kondo
,
F.
Sano
,
K.
Nagasaki
,
H.
Okada
,
S.
Kobayahi
, and
S.
Yamamoto
,
J. Nucl. Mater.
337–339
,
1073
(
2005
).
58.
V.
Tiwari
,
M. A.
Sutton
, and
S. R.
McNeill
,
Exp. Mech.
47
,
561
(
2007
).
59.
S. T.
Thoroddsen
,
T. G.
Etoh
, and
K.
Takehara
,
Annu. Rev. Fluid Mech.
40
,
257
(
2008
).
60.
M.
Baker
,
Nat. Methods
8
,
1005
(
2011
).
61.
Y. H.
Jung
,
J. S.
Kim
,
B. S.
Hur
, and
M. G.
Kang
,
IEEE Trans. Consum. Electron.
46
,
68
(
2000
).
62.
H.
Honda
,
Y.
Iida
,
Y.
Egawa
, and
H.
Seki
,
IEEE Trans. Electron Devices
56
,
2398
(
2009
).
63.
K.
Murari
,
R.
Etienne-Cummings
,
N. V.
Thakor
, and
G.
Cauwenberghs
,
IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.
5
,
449
(
2011
).
64.
S.
Grauby
,
A.
Salhi
,
J. M.
Rampnoux
,
H.
Michel
,
W.
Claeys
, and
S.
Dilhaire
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
074902
(
2007
).
65.
B. F.
Grewe
,
D.
Langer
,
H.
Kasper
,
B. M.
Kampa
, and
F.
Helmchen
,
Nat. Methods
7
,
399
(
2010
).
66.
M.
Shirasaki
,
Fujitsu Sci. Tech. J.
35
,
113
(
1999
).
67.
M.
Shirasaki
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
9
,
1598
(
1997
).
68.
M.
Shirasaki
,
Opt. Lett.
21
,
366
(
1996
).
69.
S. A.
Diddams
,
L.
Hollberg
, and
V.
Mbele
,
Nature
445
,
627
(
2007
).
70.
S. T.
Cundiff
and
A. M.
Weiner
,
Nat. Photonics
4
,
760
(
2010
).
71.
S. J.
Xiao
and
A. M.
Weiner
,
Opt. Express
12
,
2895
(
2004
).
72.
K.
Goda
and
B.
Jalali
,
Nat. Photonics
7
,
102
(
2013
).
73.
K.
Goda
,
D. R.
Solli
,
K. K.
Tsia
, and
B.
Jalali
,
Phys. Rev. A
80
,
043821
(
2009
).
74.
Y.
Qiu
,
J.
Xu
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
Opt. Express
20
,
24115
(
2012
).
75.
E. D.
Diebold
,
N. K.
Hon
,
Z.
Tan
,
J.
Chou
,
T.
Sienicki
,
C.
Wang
, and
B.
Jalali
,
Opt. Express
19
,
23809
(
2011
).
76.
C.
Wang
and
J.
Yao
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
56
,
542
(
2008
).
77.
C.
Wang
and
J.
Yao
,
J. Lightwave Technol.
27
,
3336
(
2009
).
78.
R.
Kashyap
and
M. D.
Rocha
,
Opt. Commun.
153
,
19
(
1998
).
79.
G. P.
Agrawal
,
Nonlinear Fiber Optics
, 5th ed. (
Academic Press
,
2012
).
80.
J.
Xu
,
X.
Wei
,
L.
Yu
,
C.
Zhang
,
J.
Xu
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
Opt. Express
22
,
22498
(
2014
).
81.
K.
Goda
and
B.
Jalali
,
Phys. Rev. A
82
,
033827
(
2010
).
82.
K.
Goda
,
A.
Mahjoubfar
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
251101
(
2009
).
83.
K. K.
Tsia
,
K.
Goda
,
D.
Capewell
, and
B.
Jalali
,
Opt. Express
18
,
10016
(
2010
).
84.
K.
Goda
,
D. R.
Solli
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
031106
(
2008
).
85.
J.
Chou
,
D. R.
Solli
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
111102
(
2008
).
86.
D. R.
Solli
,
J.
Chou
, and
B.
Jalali
,
Nat. Photonics
2
,
48
(
2008
).
87.
D. R.
Solli
,
S.
Gupta
, and
B.
Jalali
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
231108
(
2009
).
88.
C.
Zhang
,
Y.
Qiu
,
R.
Zhu
,
K. K. Y.
Wong
, and
K. K.
Tsia
,
Opt. Express
19
,
15810
(
2011
).
89.
C.
Zhang
,
Y.
Xu
,
X.
Wei
,
K. K.
Tsia
, and
K. K. Y.
Wong
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
041113
(
2014
).
90.
H.
Chen
,
C.
Lei
,
F.
Xing
,
Z.
Weng
,
M.
Chen
,
S.
Yang
, and
S.
Xie
,
Opt. Lett.
39
,
2202
(
2014
).
91.
X.
Wei
,
J.
Xu
,
Y.
Xu
,
L.
Yu
,
J.
Xu
,
B.
Li
,
A. K. S.
Lau
,
X.
Wang
,
C.
Zhang
,
K. K.
Tsia
, and
K. K. Y.
Wong
,
Opt. Lett.
39
,
6593
(
2014
).
92.
X.
Wei
,
A. K. S.
Lau
,
T. T. W.
Wong
,
C.
Zhang
,
K. K. M.
Tsia
, and
K. K. Y.
Wong
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
20
,
1100306
(
2014
).
93.
C.
Lei
,
H.
Chen
,
F.
Xing
,
M.
Chen
,
S.
Yang
, and
S.
Xie
,
Opt. Lett.
40
,
946
(
2015
).
94.
Y.
Xu
,
Z.
Ren
,
K. K. Y.
Wong
, and
K.
Tsia
,
Opt. Lett.
40
,
3595
(
2015
).
95.
T. S.
Newman
and
A. K.
Jain
,
Comput. Vision Image Understanding
61
,
231
(
1995
).
96.
E. N.
Malamas
,
E. G. M.
Petrakis
,
M.
Zervakis
,
L.
Petit
, and
J. D.
Legat
,
Image Vision Comput.
21
,
171
(
2003
).
97.
F.
Pernkopf
and
P.
O'Leary
,
NDT & E Int.
36
,
609
(
2003
).
98.
P.
Tang
,
D.
Huber
, and
B.
Akinci
,
J. Comput. Civil Eng.
25
,
31
(
2011
).
99.
R.
Roesch
,
F. C.
Krebs
,
D. M.
Tanenbaum
, and
H.
Hoppe
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
97
,
176
(
2012
).
100.
J. H.
Sorebo
and
R. D.
Lorenz
,
IEEE Trans. Ind. Appl.
41
,
1476
(
2005
).
101.
C. S.
Cho
,
B. M.
Chung
, and
M. J.
Park
,
IEEE Trans. Ind. Electron.
52
,
1073
(
2005
).
102.
P.
Castellini
,
M.
Martarelli
, and
E. P.
Tomasini
,
Mech. Syst. Signal Process.
20
,
1265
(
2006
).
103.
J.
Trampe Broch
,
Mechanical Vibration and Shock Measurements
(
Brüel & Kjær
,
1980
).
104.
L. E.
Drain
,
The Laser Doppler Techniques
(
John Wiley & Sons Inc.
,
1980
).
105.
W. P.
Arnott
and
J. M.
Sabatier
,
Appl. Acoust.
30
,
279
(
1990
).
106.
R. L.
Goode
,
G.
Ball
,
S.
Nishihara
, and
K.
Nakamura
,
Am. J. Otol.
17
,
813
(
1996
).
107.
B. P.
Binks
and
R.
Murakami
,
Nat. Mater.
5
,
865
(
2006
).
108.
U.
Dusek
,
G. P.
Frank
,
L.
Hildebrandt
,
J.
Curtius
,
J.
Schneider
,
S.
Walter
,
D.
Chand
,
F.
Drewnick
,
S.
Hings
,
D.
Jung
,
S.
Borrmann
, and
M. O.
Andreae
,
Science
312
,
1375
(
2006
).
109.
N. J.
Borys
,
M. J.
Walter
,
J.
Huang
,
D. V.
Talapin
, and
J. M.
Lupton
,
Science
330
,
1371
(
2010
).
110.
E.
Brewer
and
A.
Ramsland
,
J. Pharm. Sci.
84
,
499
(
1995
).
111.
P. W.
Stevens
and
D. M.
Kelso
,
Anal. Chem.
75
,
1147
(
2003
).
112.
J.
Mertz
,
Introduction to Optical Microscopy
(
Roberts & Co
,
2009
).
113.
J.
Pawley
,
Handbook of Biological Confocal Microscopy
(
Springer
,
2013
).
114.
C. M.
Drapcho
,
N. P.
Nhuan
, and
T. H.
Walker
,
Biofuels Engineering Process Technology
(
McGraw-Hill Education
,
2007
).
115.
R.
Wollman
and
N.
Stuurman
,
J. Cell Sci.
120
,
3715
(
2007
).
116.
H. T. K.
Tse
,
P.
Meng
,
D. R.
Gossett
,
A.
Irturk
,
R.
Kastner
, and
D.
Di Carlo
,
Jala
16
,
422
(
2011
).
117.
P.
Lang
,
K.
Yeow
,
A.
Nichols
, and
A.
Scheer
,
Nat. Rev. Drug Discovery
5
,
343
(
2006
).
118.
D. A.
Basiji
,
W. E.
Ortyn
,
L.
Liang
,
V.
Venkatachalam
, and
P.
Morrissey
,
Clin Lab. Med.
27
,
653
(
2007
).
119.
C.
Conrad
and
D. W.
Gerlich
,
J. Cell Biol.
188
,
453
(
2010
).
120.
L.
Brown
,
BioPharm Int.
24
,
S4
(
2011
).
121.
V.
Raghunathan
,
O.
Boyraz
, and
B.
Jalali
, in
Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-Optics 2005, Baltimore, MD, USA, 22–27 May
(
2005
), pp.
349
351
.
122.
M. A.
Foster
,
R.
Salem
,
D. F.
Geraghty
,
A. C.
Turner-Foster
,
M.
Lipson
, and
A. L.
Gaeta
,
Nature
456
,
81
(
2008
).
123.
A.
Novack
,
M.
Gould
,
Y.
Yang
,
Z.
Xuan
,
M.
Streshinsky
,
Y.
Liu
,
G.
Capellini
,
A. E.
Lim
,
G. Q.
Lo
,
T.
Baehr-Jones
, and
M.
Hochberg
,
Opt. Express
21
,
28387
(
2013
).
124.
R.
Soref
,
Nat. Photonics
4
,
495
(
2010
).
125.
T. K.
Liang
and
H. K.
Tsang
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
2745
(
2004
).
You do not currently have access to this content.