经济实惠的超快成像技术

要捕捉水滴下落或化学作用等快速运动的无模糊图像，需要每秒捕捉数百万张图像的昂贵超快相机。研究人员在一项新的研究中描述了一种相机，它可以为各种应用（如自动驾驶汽车的高速激光雷达系统或药物输送的实时监控）提供一种成本低得多的实现超快成像的方法。

研究人员开发了一种衍射门控实时超高速绘图（DRUM）相机，一次曝光即可捕捉动态事件，每秒可拍摄 480 万帧。图为研究人员刘向磊和梁晋阳正在研究光学装置。图片来源：Xianglei Liu 和 Jinyang Liang，INRS

我们的相机采用全新方法实现高速成像。它的成像速度和空间分辨率与商用高速相机类似，但使用的是现成的组件，其成本可能不到当今超快相机的十分之一，而当今超快相机的起价接近 10 万美元。--梁金阳，INRS应用计算成像实验室副教授兼主任

来自加拿大康考迪亚大学和 Meta Platforms 公司的 Liang 及其同事在 Optica 出版集团出版的高影响力研究期刊 Optica 上展示了他们的新型衍射门控实时超高速绘图 (DRUM) 摄像机如何在单次曝光中以每秒 480 万帧的速度记录动态事件。

为了说明这种能力，他们使用了飞秒激光脉冲与液体相互作用的快速动态成像以及生物样本中的激光烧蚀成像。

Liang补充说："从长远来看，我相信DRUM摄影技术将推动生物医学和自动化技术（如激光雷达）的发展，更快的成像速度将使人们能够更准确地感知危险。然而，DRUM 摄影的范例非常通用。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。

打造更好的超快相机
尽管在超快成像方面取得了重大进展，但目前的技术仍然成本高昂且难以使用。每部影片记录的帧数与光吞吐量或时间分辨率之间的权衡也会影响其性能。为了解决这些问题，研究人员创造了时变光学衍射这种新的时间门技术。

相机使用光闸来调节光线到达传感器的时间。传统相机的快门就是一个这样的门，它只打开和关闭一次。要读出时间门技术中的图像，必须快速打开和关闭快门一定的次数。这样就能以快速、高速影片的形式捕捉场景。

考虑到光的时空二重性，梁发现了如何通过光衍射实现时间门控。他认为，通过快速改变衍射光栅上周期性刻面的倾斜角度，可以在不同的空间位置扫过，从而在不同的时间门控出不同的帧。

随后，将这些帧组合起来，就能制作出一部超快电影。将这一概念转化为功能相机需要一个由物理光学、超高速成像和微机电系统设计专家组成的多元化团队。

"幸运的是，通过使用数字微镜设备（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。DMD 是批量生产的，无需机械运动即可产生衍射门，因此系统既经济又稳定，"Liang 说道。

捕捉快速动态
研究小组开发的 DRUM 摄像机具有七帧的序列深度，这意味着每个短视频都有七帧。在描述了该技术的空间和时间分辨率后，研究人员利用该技术捕捉了激光与蒸馏水的相互作用。

随后的延时图像显示，脉冲激光产生了等离子通道和气泡，观察到的气泡半径符合空化理论的预期。此外，他们还记录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，以及碳酸饮料气泡的动态变化。

DRUM 摄影甚至可以应用于纳米手术和基于激光的清洁应用。---刘湘蕾，研究第一作者，Ansys

研究人员仍在不断改进 DRUM 摄影的性能，包括提高图像速度和序列深度。他们还希望研究如何将该技术用于其他应用，如激光雷达，同时记录颜色信息。

参考资料

Liu, X., et al. (2023) Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography. Optica. doi:10.1364/OPTICA.495041

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