可低成本实现超高速成像的相机技术

捕捉快速运动的无模糊图像，如下落的水滴或分子相互作用，需要昂贵的超高速相机，每秒可以获取数百万张图像。在一篇新论文中，研究人员介绍了一种相机，可以为广泛的应用提供一种更便宜的方式来实现超高速成像，如实时监测药物输送或用于自动驾驶的高速激光雷达系统。 加拿大国家科学研究所(INRS)的Jinyang Liang说：“我们的相机使用一种全新的方法来实现高速成像。它的成像速度和空间分辨率与商用高速相机相似，但使用的现成组件可能不到当今超高速相机的十分之一，其起价接近10万美元。”

在一篇名为“衍射门控实时超高速测绘摄影”的论文中，Liang与加拿大Concordia大学和Meta Platforms Inc.的合作者展示了一款新型衍射门实时超高速绘图(DRUM)相机，可以在每秒480万帧的单次曝光中捕捉动态事件。为了展示这种能力，他们通过成像飞秒激光脉冲与液体和生物样本中的激光消融的快速动态。   Liang说：“从长远来看，我相信DRUM摄影将有助于生物医学和自动化技术的发展，如激光雷达，在这些领域，更快的成像将允许更准确地感知危险。然而，DRUM摄影的范式是相当通用的。理论上，它可以与任何CCD和CMOS相机一起使用，而不会降低它们的其他优势，如高灵敏度。”

创建更好的超快相机

尽管超快成像取得了很大进展，但目前的方法仍然昂贵且实现起来很复杂。它们的性能也受到每部电影中捕获的帧数和光通量或时间分辨率之间的权衡限制。为了克服这些问题，研究人员开发了一种新的时间门控方法，称为时变光学衍射。   相机使用门来控制光线何时照射传感器。例如，传统相机的快门是一种打开和关闭一次的门。在时间门控中，在传感器读取图像之前，门快速连续地打开和关闭一定次数。这捕捉了一个场景的短高速电影。 通过考虑光的时空二元性，Liang想出了如何使用光衍射来实现时间门控。他意识到，通过快速改变衍射光栅上周期性小平面的倾斜角度，可以产生不同方向入射光的多个副本，从而扫描不同的空间位置，在不同时间点筛选出帧。 然后，这些帧可以放在一起形成一部超快电影。将这一想法转化为工作相机需要一个多学科团队，汇集物理光学、超高速成像和微机电系统设计等领域的专业知识。 Liang说：“幸运的是，可以通过使用数字微镜设备(DMD)——投影仪中常见的光学组件——以非常规的方式实现这种扫描衍射门。DMD是量产的，不需要机械运动来产生衍射门，使系统具有成本效益和稳定性。”

捕捉快速动态

该团队创建了一个DRUM相机，其序列深度为七帧，这意味着它在每个短片中捕捉七帧。在描述了系统的空间和时间分辨率后，研究人员用它来记录激光与蒸馏水的相互作用。   产生的延时图像显示了等离子体通道的演变和气泡对脉冲激光的反应，测量的气泡半径与空化理论预测的半径相匹配。他们还拍摄了碳酸饮料的气泡动态，并捕捉了超短激光脉冲和单层洋葱细胞样本之间的瞬态相互作用。 论文的第一作者Xianglei Liu说：“DRUM摄影甚至可能应用于纳米手术和基于激光的清洁应用。”他曾在INRS工作，现在在Ansys工作。 研究人员正在继续努力提高DRUM摄影的性能，包括提高成像速度和序列深度。他们还想探索捕捉颜色信息，并将该系统应用于其他应用，如激光雷达。

编辑：黄飞