可低成本實現超高速成像的相機技術

捕捉快速運動的無模糊圖像，如下落的水滴或分子相互作用，需要昂貴的超高速相機，每秒可以獲取數百萬張圖像。在一篇新論文中，研究人員介紹了一種相機，可以為廣泛的應用提供一種更便宜的方式來實現超高速成像，如實時監測藥物輸送或用于自動駕駛的高速激光雷達系統。 加拿大國家科學研究所(INRS)的Jinyang Liang說：“我們的相機使用一種全新的方法來實現高速成像。它的成像速度和空間分辨率與商用高速相機相似，但使用的現成組件可能不到當今超高速相機的十分之一，其起價接近10萬美元?！?/p>

在一篇名為“衍射門控實時超高速測繪攝影”的論文中，Liang與加拿大Concordia大學和Meta Platforms Inc.的合作者展示了一款新型衍射門實時超高速繪圖(DRUM)相機，可以在每秒480萬幀的單次曝光中捕捉動態事件。為了展示這種能力，他們通過成像飛秒激光脈沖與液體和生物樣本中的激光消融的快速動態。 Liang說：“從長遠來看，我相信DRUM攝影將有助于生物醫學和自動化技術的發展，如激光雷達，在這些領域，更快的成像將允許更準確地感知危險。然而，DRUM攝影的范式是相當通用的。理論上，它可以與任何CCD和CMOS相機一起使用，而不會降低它們的其他優勢，如高靈敏度?！?/p>

創建更好的超快相機

盡管超快成像取得了很大進展，但目前的方法仍然昂貴且實現起來很復雜。它們的性能也受到每部電影中捕獲的幀數和光通量或時間分辨率之間的權衡限制。為了克服這些問題，研究人員開發了一種新的時間門控方法，稱為時變光學衍射。 相機使用門來控制光線何時照射傳感器。例如，傳統相機的快門是一種打開和關閉一次的門。在時間門控中，在傳感器讀取圖像之前，門快速連續地打開和關閉一定次數。這捕捉了一個場景的短高速電影。 通過考慮光的時空二元性，Liang想出了如何使用光衍射來實現時間門控。他意識到，通過快速改變衍射光柵上周期性小平面的傾斜角度，可以產生不同方向入射光的多個副本，從而掃描不同的空間位置，在不同時間點篩選出幀。 然后，這些幀可以放在一起形成一部超快電影。將這一想法轉化為工作相機需要一個多學科團隊，匯集物理光學、超高速成像和微機電系統設計等領域的專業知識。 Liang說：“幸運的是，可以通過使用數字微鏡設備(DMD)——投影儀中常見的光學組件——以非常規的方式實現這種掃描衍射門。DMD是量產的，不需要機械運動來產生衍射門，使系統具有成本效益和穩定性?！?/p>

捕捉快速動態

該團隊創建了一個DRUM相機，其序列深度為七幀，這意味著它在每個短片中捕捉七幀。在描述了系統的空間和時間分辨率后，研究人員用它來記錄激光與蒸餾水的相互作用。 產生的延時圖像顯示了等離子體通道的演變和氣泡對脈沖激光的反應，測量的氣泡半徑與空化理論預測的半徑相匹配。他們還拍攝了碳酸飲料的氣泡動態，并捕捉了超短激光脈沖和單層洋蔥細胞樣本之間的瞬態相互作用。 論文的第一作者Xianglei Liu說：“DRUM攝影甚至可能應用于納米手術和基于激光的清潔應用?！彼贗NRS工作，現在在Ansys工作。 研究人員正在繼續努力提高DRUM攝影的性能，包括提高成像速度和序列深度。他們還想探索捕捉顏色信息，并將該系統應用于其他應用，如激光雷達。

編輯：黃飛