如何利用衍射門控實(shí)時(shí)超高速測(cè)繪相機(jī)實(shí)現(xiàn)低成本超快成像？

捕捉下落的水滴或分子相互作用等快速運(yùn)動(dòng)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(bào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物輸送或自動(dòng)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(shí)現(xiàn)高速成像。”加拿大國立科學(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(jià)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(xiàng)研究，據(jù)稱，他們開發(fā)的新型衍射門控實(shí)時(shí)超高速測(cè)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(dòng)態(tài)事件。他們通過對(duì)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(dòng)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(dòng)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(xiǎn)。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(huì)影響它們自身的優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(shí)間門控方法，稱為時(shí)變光學(xué)衍射。

相機(jī)通常采用門控來控制光線何時(shí)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(shí)間門控中，在傳感器讀取圖像之前，門會(huì)快速連續(xù)打開和關(guān)閉一定次數(shù)，從而捕捉一個(gè)場(chǎng)景的高速短片。

通過考量光的時(shí)空二元性，Liang發(fā)現(xiàn)了如何利用光衍射來實(shí)現(xiàn)時(shí)間門控。他意識(shí)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(gè)副本，進(jìn)而提供一種掃過不同空間位置以在不同時(shí)間點(diǎn)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(gè)想法轉(zhuǎn)化為一臺(tái)可以工作的相機(jī)需要一支多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，匯集物理光學(xué)、超快速成像和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。

Liang說：“幸運(yùn)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)

研究人員開發(fā)了用于2D超高速實(shí)時(shí)成像的DRUM相機(jī)，幀速率為4.8 Mfps，時(shí)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(shí)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(shí)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(cè)量的氣泡半徑與空化理論預(yù)測(cè)的半徑相匹配。他們還對(duì)碳酸飲料的氣泡動(dòng)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?！痹撜撐牡牡谝蛔髡遆ianglei 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