可低成本實(shí)現(xiàn)超高速成像的相機(jī)技術(shù)

捕捉快速運(yùn)動(dòng)的無(wú)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(jī)，每秒可以獲取數(shù)百萬(wàn)張圖像。在一篇新論文中，研究人員介紹了一種相機(jī)，可以為廣泛的應(yīng)用提供一種更便宜的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)超高速成像，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物輸送或用于自動(dòng)駕駛的高速激光雷達(dá)系統(tǒng)。 加拿大國(guó)家科學(xué)研究所(INRS)的Jinyang Liang說(shuō)：“我們的相機(jī)使用一種全新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高速成像。它的成像速度和空間分辨率與商用高速相機(jī)相似，但使用的現(xiàn)成組件可能不到當(dāng)今超高速相機(jī)的十分之一，其起價(jià)接近10萬(wàn)美元。”

在一篇名為“衍射門(mén)控實(shí)時(shí)超高速測(cè)繪攝影”的論文中，Liang與加拿大Concordia大學(xué)和Meta Platforms Inc.的合作者展示了一款新型衍射門(mén)實(shí)時(shí)超高速繪圖(DRUM)相機(jī)，可以在每秒480萬(wàn)幀的單次曝光中捕捉動(dòng)態(tài)事件。為了展示這種能力，他們通過(guò)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(dòng)態(tài)。 Liang說(shuō)：“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我相信DRUM攝影將有助于生物醫(yī)學(xué)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，如激光雷達(dá)，在這些領(lǐng)域，更快的成像將允許更準(zhǔn)確地感知危險(xiǎn)。然而，DRUM攝影的范式是相當(dāng)通用的。理論上，它可以與任何CCD和CMOS相機(jī)一起使用，而不會(huì)降低它們的其他優(yōu)勢(shì)，如高靈敏度?！?/p>

創(chuàng)建更好的超快相機(jī)

盡管超快成像取得了很大進(jìn)展，但目前的方法仍然昂貴且實(shí)現(xiàn)起來(lái)很復(fù)雜。它們的性能也受到每部電影中捕獲的幀數(shù)和光通量或時(shí)間分辨率之間的權(quán)衡限制。為了克服這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的時(shí)間門(mén)控方法，稱(chēng)為時(shí)變光學(xué)衍射。 相機(jī)使用門(mén)來(lái)控制光線(xiàn)何時(shí)照射傳感器。例如，傳統(tǒng)相機(jī)的快門(mén)是一種打開(kāi)和關(guān)閉一次的門(mén)。在時(shí)間門(mén)控中，在傳感器讀取圖像之前，門(mén)快速連續(xù)地打開(kāi)和關(guān)閉一定次數(shù)。這捕捉了一個(gè)場(chǎng)景的短高速電影。 通過(guò)考慮光的時(shí)空二元性，Liang想出了如何使用光衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間門(mén)控。他意識(shí)到，通過(guò)快速改變衍射光柵上周期性小平面的傾斜角度，可以產(chǎn)生不同方向入射光的多個(gè)副本，從而掃描不同的空間位置，在不同時(shí)間點(diǎn)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(zhuǎn)化為工作相機(jī)需要一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，匯集物理光學(xué)、超高速成像和微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 Liang說(shuō)：“幸運(yùn)的是，可以通過(guò)使用數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)——投影儀中常見(jiàn)的光學(xué)組件——以非常規(guī)的方式實(shí)現(xiàn)這種掃描衍射門(mén)。DMD是量產(chǎn)的，不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生衍射門(mén)，使系統(tǒng)具有成本效益和穩(wěn)定性?！?/p>

捕捉快速動(dòng)態(tài)

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)DRUM相機(jī)，其序列深度為七幀，這意味著它在每個(gè)短片中捕捉七幀。在描述了系統(tǒng)的空間和時(shí)間分辨率后，研究人員用它來(lái)記錄激光與蒸餾水的相互作用。 產(chǎn)生的延時(shí)圖像顯示了等離子體通道的演變和氣泡對(duì)脈沖激光的反應(yīng)，測(cè)量的氣泡半徑與空化理論預(yù)測(cè)的半徑相匹配。他們還拍攝了碳酸飲料的氣泡動(dòng)態(tài)，并捕捉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。 論文的第一作者Xianglei Liu說(shuō)：“DRUM攝影甚至可能應(yīng)用于納米手術(shù)和基于激光的清潔應(yīng)用?！彼贗NRS工作，現(xiàn)在在Ansys工作。 研究人員正在繼續(xù)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(tǒng)應(yīng)用于其他應(yīng)用，如激光雷達(dá)。

編輯：黃飛