捕捉下落的水滴或分子相互作用等快速運動的清晰圖像，需要昂貴的超快相機(jī)，這種相機(jī)每秒可捕捉數(shù)百萬張圖像。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，加拿大國立科學(xué)研究院（INRS）的研究人員近期報道了一種新型超快成像相機(jī)，有望提供一種成本低得多的超快成像方法，具有廣闊的應(yīng)用前景，例如實時監(jiān)測藥物輸送或自動駕駛高速激光雷達(dá)系統(tǒng)等。

“我們的相機(jī)系統(tǒng)采用了一種全新的方法來實現(xiàn)高速成像?！奔幽么髧⒖茖W(xué)研究院的Jinyang Liang介紹說，“它使用了市售的現(xiàn)成組件，成像速度和空間分辨率與商用超快相機(jī)相近，但成本可能不到當(dāng)前超快相機(jī)的十分之一，后者的起售價接近10萬美元?！?/p>

該研究成果已經(jīng)以“Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography”為題發(fā)表于近期的Optica期刊。Jinyang Liang與加拿大康考迪亞大學(xué)以及Meta Platforms公司的研究人員合作完成了該項研究，據(jù)稱，他們開發(fā)的新型衍射門控實時超高速測繪（DRUM）相機(jī)能夠以每秒480萬幀的速度在單次曝光中捕捉動態(tài)事件。他們通過對飛秒激光脈沖與生物樣品中的液體相互作用及激光燒蝕高速動態(tài)進(jìn)行成像，證明了這種高速成像能力。

DRUM成像系統(tǒng)設(shè)置

Liang說：“長遠(yuǎn)來看，我相信DRUM成像將有助于生物醫(yī)學(xué)和激光雷達(dá)等自動化技術(shù)的進(jìn)步，更快的成像有助于更準(zhǔn)確地感知危險。當(dāng)然，DRUM成像模式具有廣泛的適用性。理論上，它可以與任何CCD和CMOS相機(jī)一起使用，且不會影響它們自身的優(yōu)勢，例如高靈敏度等?！?/p>

打造更好的超快相機(jī)

盡管超快成像技術(shù)近年取得了很大進(jìn)步，但如今方案的成本仍然高昂且復(fù)雜。并且，它們的性能還受到成像過程中捕獲的幀數(shù)與光通量或時間分辨率之間的權(quán)衡限制。為了克服這些問題，研究人員開發(fā)了一種新的時間門控方法，稱為時變光學(xué)衍射。

相機(jī)通常采用門控來控制光線何時照射到傳感器。例如，傳統(tǒng)相機(jī)中的快門在每次拍攝中執(zhí)行一次打開和關(guān)閉。在時間門控中，在傳感器讀取圖像之前，門會快速連續(xù)打開和關(guān)閉一定次數(shù)，從而捕捉一個場景的高速短片。

通過考量光的時空二元性，Liang發(fā)現(xiàn)了如何利用光衍射來實現(xiàn)時間門控。他意識到，快速改變衍射光柵上周期性平面的傾斜角度，可以生成沿不同方向傳播的入射光的多個副本，進(jìn)而提供一種掃過不同空間位置以在不同時間點選通幀的方法。

然后，可以將這些幀組合形成一段超快視頻。不過，將這個想法轉(zhuǎn)化為一臺可以工作的相機(jī)需要一支多學(xué)科團(tuán)隊，匯集物理光學(xué)、超快速成像和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）設(shè)計等領(lǐng)域的專業(yè)知識。

Liang說：“幸運的是，通過投影儀中常見的光學(xué)元件——數(shù)字微鏡器件（DMD），能夠以一種非常規(guī)的方式實現(xiàn)這種類型的掃描衍射門。DMD是批量生產(chǎn)的，不需要宏觀機(jī)械運動來產(chǎn)生衍射門，使這種系統(tǒng)具有成本效益且穩(wěn)定?！?/p>

DRUM成像性能的表征

捕捉快速動態(tài)

研究人員開發(fā)了用于2D超高速實時成像的DRUM相機(jī)，幀速率為4.8 Mfps，時間分辨率為0.37 μs，序列深度為7幀。在表征了該系統(tǒng)的空間和時間分辨率后，研究人員用它來記錄了激光與蒸餾水的相互作用。

由此獲得的延時圖像顯示了響應(yīng)脈沖激光的等離子體通道的演變和氣泡的形成，測量的氣泡半徑與空化理論預(yù)測的半徑相匹配。他們還對碳酸飲料的氣泡動力學(xué)進(jìn)行了成像，并捕捉到了超短激光脈沖和單層洋蔥細(xì)胞樣本之間的瞬態(tài)相互作用。

利用DRUM相機(jī)捕捉超短激光脈沖和單層洋蔥細(xì)胞樣本之間的瞬態(tài)相互作用

“DRUM成像甚至還可以應(yīng)用于納米手術(shù)和激光清潔應(yīng)用。”該論文的第一作者Xianglei Liu說。

未來，研究人員將進(jìn)一步提高DRUM成像的性能，包括提高成像速度和序列深度。他們還希望探索捕捉顏色信息，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于激光雷達(dá)等其他應(yīng)用。

審核編輯：劉清