新相机以正常成本的一小部分提供超快成像

捕捉快速运动的清晰图像，比如落下的水滴或分子相互作用，需要昂贵的超快相机，每秒可以采集数百万张图像。在一篇新论文中，研究人员报告了一种相机，它可以提供一种更便宜的方式来实现超快成像，适用于多种应用，例如实时监测药物输送或用于自动驾驶的高速激光雷达系统。

“我们的相机采用了一种全新的方法来实现高速成像，”加拿大国家科学研究所 (INRS)的 Jinyang Liang 说道。“它的成像速度和空间分辨率与商用高速相机相似，但使用现成的组件，其成本可能不到当今超快相机的十分之一，而超快相机的起价接近 100,000 美元。”

在Optica出版集团的高影响力研究期刊 Optica 上，Liang 与加拿大康科迪亚大学和 Meta Platforms Inc. 的合作者一起展示了他们的新型衍射门实时超高速测绘 (DRUM) 相机可以捕获每秒 480 万帧的单次曝光动态事件。他们通过对飞秒激光脉冲与生物样品中的液体相互作用和激光烧蚀的快速动态进行成像来展示这种能力。

“从长远来看，我相信 DRUM 摄影将为生物医学和激光雷达等自动化技术的进步做出贡献，更快的成像将允许更准确地感知危险，”梁说。“然而，DRUM 摄影的范式非常通用。理论上，它可以与任何 CCD 和 CMOS 相机一起使用，而不会降低它们的其他优点，例如高灵敏度。”

创造更好的超快相机

尽管超快成像取得了很大进展，但当今的方法仍然昂贵且实施起来复杂。它们的性能还受到每部电影中捕获的帧数与光通量或时间分辨率之间的权衡的限制。为了克服这些问题，研究人员开发了一种新的时间选通方法，称为时变光学衍射。

相机使用门来控制光线何时照射到传感器。例如，传统相机中的快门是一种打开和关闭一次的门。在时间选通中，在传感器读出图像之前，门会快速连续打开和关闭一定次数。这会捕捉一个场景的高速短片。

通过考虑光的时空二象性，梁想出了如何利用光衍射来完成时间选通。他意识到，快速改变衍射光栅上周期性面的倾斜角度，可以生成沿不同方向传播的入射光的多个副本，可以提供一种扫描不同空间位置以在不同时间点排除帧的方法。然后可以将这些帧组合在一起形成一部超快的电影。将这一想法转化为实用相机需要一个多学科团队，汇集物理光学、超高速成像和 MEMS 设计等领域的专业知识。

“幸运的是，可以通过使用数字微镜器件(DMD)(投影仪中常见的光学元件)以非常规的方式完成这种类型的扫描衍射门，”梁说。“DMD 是批量生产的，不需要机械运动来生产衍射门，使系统具有成本效益且稳定。”

捕捉快速动态

该团队创建了一个序列深度为七帧的 DRUM 摄像机，这意味着它在每部短片中捕获七帧。在表征了系统的空间和时间分辨率后，研究人员用它来记录激光与蒸馏水的相互作用。

由此产生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，并捕获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。“DRUM 摄影甚至可以应用于纳米手术和激光清洁应用，”该论文的第一作者、前 INRS 成员、现供职于 Ansys 的刘翔雷 (Xianglei Liu)说道。

研究人员正在继续致力于提高 DRUM 摄影的性能，包括提高成像速度和序列深度。他们还希望探索捕获颜色信息并将该系统应用于激光雷达等其他应用。