如何利用衍射门控实时超高速测绘相机实现低成本超快成像？

捕捉下落的水滴或分子相互作用等快速运动的清晰图像，需要昂贵的超快相机，这种相机每秒可捕捉数百万张图像。据麦姆斯咨询介绍，加拿大国立科学研究院（INRS）的研究人员近期报道了一种新型超快成像相机，有望提供一种成本低得多的超快成像方法，具有广阔的应用前景，例如实时监测药物输送或自动驾驶高速激光雷达系统等。

“我们的相机系统采用了一种全新的方法来实现高速成像。”加拿大国立科学研究院的Jinyang Liang介绍说，“它使用了市售的现成组件，成像速度和空间分辨率与商用超快相机相近，但成本可能不到当前超快相机的十分之一，后者的起售价接近10万美元。”

该研究成果已经以“Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography”为题发表于近期的Optica期刊。Jinyang Liang与加拿大康考迪亚大学以及Meta Platforms公司的研究人员合作完成了该项研究，据称，他们开发的新型衍射门控实时超高速测绘（DRUM）相机能够以每秒480万帧的速度在单次曝光中捕捉动态事件。他们通过对飞秒激光脉冲与生物样品中的液体相互作用及激光烧蚀高速动态进行成像，证明了这种高速成像能力。

DRUM成像系统设置

Liang说：“长远来看，我相信DRUM成像将有助于生物医学和激光雷达等自动化技术的进步，更快的成像有助于更准确地感知危险。当然，DRUM成像模式具有广泛的适用性。理论上，它可以与任何CCD和CMOS相机一起使用，且不会影响它们自身的优势，例如高灵敏度等。”

打造更好的超快相机

尽管超快成像技术近年取得了很大进步，但如今方案的成本仍然高昂且复杂。并且，它们的性能还受到成像过程中捕获的帧数与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。

相机通常采用门控来控制光线何时照射到传感器。例如，传统相机中的快门在每次拍摄中执行一次打开和关闭。在时间门控中，在传感器读取图像之前，门会快速连续打开和关闭一定次数，从而捕捉一个场景的高速短片。

通过考量光的时空二元性，Liang发现了如何利用光衍射来实现时间门控。他意识到，快速改变衍射光栅上周期性平面的倾斜角度，可以生成沿不同方向传播的入射光的多个副本，进而提供一种扫过不同空间位置以在不同时间点选通帧的方法。

然后，可以将这些帧组合形成一段超快视频。不过，将这个想法转化为一台可以工作的相机需要一支多学科团队，汇集物理光学、超快速成像和微机电系统（MEMS）设计等领域的专业知识。

Liang说：“幸运的是，通过投影仪中常见的光学元件——数字微镜器件（DMD），能够以一种非常规的方式实现这种类型的扫描衍射门。DMD是批量生产的，不需要宏观机械运动来产生衍射门，使这种系统具有成本效益且稳定。”

DRUM成像性能的表征

捕捉快速动态

研究人员开发了用于2D超高速实时成像的DRUM相机，帧速率为4.8 Mfps，时间分辨率为0.37 µs，序列深度为7帧。在表征了该系统的空间和时间分辨率后，研究人员用它来记录了激光与蒸馏水的相互作用。

由此获得的延时图像显示了响应脉冲激光的等离子体通道的演变和气泡的形成，测量的气泡半径与空化理论预测的半径相匹配。他们还对碳酸饮料的气泡动力学进行了成像，并捕捉到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。

利用DRUM相机捕捉超短激光脉冲和单层洋葱细胞样本之间的瞬态相互作用

“DRUM成像甚至还可以应用于纳米手术和激光清洁应用。”该论文的第一作者Xianglei Liu说。

未来，研究人员将进一步提高DRUM成像的性能，包括提高成像速度和序列深度。他们还希望探索捕捉颜色信息，并将该系统应用于激光雷达等其他应用。

审核编辑：刘清