新型相机只需正常成本的一小部分即可实现超快成像

研究人员开发了一种衍射门控实时超高速绘图（DRUM）相机，一次曝光就能以每秒 480 万帧的速度捕捉动态事件。图为研究人员刘向磊和梁金阳正在研究光学装置。资料来源：国家科学研究院（INRS），刘向磊和梁金阳

要捕捉水滴下落或分子相互作用等快速运动的无模糊图像，需要每秒获取数百万张图像的昂贵超快相机。在一篇新论文中，研究人员报告了一种相机，这种相机可以提供一种成本低得多的方法来实现超快成像，适用于多种应用，如药物输送的实时监控或自动驾驶的高速激光雷达系统。

"我们的相机采用了一种全新的方法来实现高速成像，"加拿大国家科学研究院（INRS）的梁晋阳说。"它的成像速度和空间分辨率与商用高速相机类似，但使用的是现成的组件，成本可能不到当今超高速相机的十分之一，而当今超高速相机的起价可能接近10万美元。
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在发表于《光学》（Optica）的一篇题为 "衍射门控实时超高速绘图摄影 "的论文中，Liang 与加拿大康考迪亚大学（Concordia University）和 Meta Platforms 公司的合作者共同展示了他们的新型衍射门控实时超高速绘图（DRUM）相机，可以在单次曝光中以每秒 480 万帧的速度捕捉动态事件。他们通过对飞秒激光脉冲与液体相互作用的快速动态以及生物样本中的激光烧蚀进行成像，展示了这种能力。

"梁说："从长远来看，我相信 DRUM 摄影将推动生物医学和自动化技术（如激光雷达）的进步，因为更快的成像速度可以更准确地感知危险。"然而，DRUM 摄影的模式非常通用。理论上，它可以与任何 CCD 和 CMOS 相机配合使用，而不会降低它们的其他优势，如高灵敏度。"

制造更好的超快相机
尽管在超快成像方面取得了巨大进步，但当今的方法仍然昂贵且实施复杂。它们的性能还受限于每部影片中捕获的帧数与光吞吐量或时间分辨率之间的权衡。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，即时变光学衍射法。

照相机使用门来控制光线进入传感器的时间。例如，传统相机中的快门是一种打开和关闭一次的门。在时间门技术中，在传感器读出图像之前，快门会连续快速打开和关闭一定次数。这样就能捕捉到一个场景的高速短片。

通过考虑光的时空二重性，梁博士想出了利用光衍射实现时间门控的方法。他意识到，快速改变衍射光栅上周期性刻面的倾斜角度，可以产生多个沿不同方向行进的入射光的复制品，从而提供了一种扫描不同空间位置的方法，在不同的时间点栅极出不同的帧。

然后，这些帧可以组合在一起，形成一部超快电影。要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。

"幸运的是，通过使用数字微镜器件（DMD）--一种投影仪中常见的光学元件--可以以一种非常规的方式实现这种类型的扫掠衍射门，"梁说。"DMD可以批量生产，无需机械运动即可产生衍射栅极，使系统具有成本效益和稳定性。

 

捕捉快速动态

研究小组制作的 DRUM 摄像机具有七帧的序列深度，这意味着它能在每个短片中捕捉七帧画面。在确定了系统的空间和时间分辨率后，研究人员用它记录了激光与蒸馏水的相互作用。

由此产生的延时图像显示了等离子体通道的演变和气泡在脉冲激光作用下的发展，测得的气泡半径与空化理论预测的相吻合。他们还对碳酸饮料的气泡动态进行了成像，并捕捉到了超短激光脉冲与单层洋葱细胞样本之间的瞬时相互作用。

"DRUM 摄影甚至可以应用于纳米手术和基于激光的清洁应用。

研究人员正在继续努力改进 DRUM 摄影的性能，包括提高成像速度和序列深度。他们还希望探索捕捉色彩信息，并将该系统应用于激光雷达等其他应用。

参考资料

Jinyang Liang et al, Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.495041

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