捕捉快速運(yùn)動(dòng)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(jī)，每秒可以獲取數(shù)百萬張圖像。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實(shí)現(xiàn)超高速成像，如實(shí)時(shí)監(jiān)測藥物輸送或用于自動(dòng)駕駛的高速激光雷達(dá)系統(tǒng)。 加拿大國家科學(xué)研究所(INRS)的Jinyang Liang說：“我們的相機(jī)使用一種全新的方法來實(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10萬美元。”

在一篇名為“衍射門控實(shí)時(shí)超高速測繪攝影”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實(shí)時(shí)超高速繪圖(DRUM)相機(jī)，可以在每秒480萬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：“從長遠(yuǎn)來看，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，如高靈敏度。”

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)使用門來控制光線何時(shí)照射傳感器。例如，傳統(tǒng)相機(jī)的快門是一種打開和關(guān)閉一次的門。在時(shí)間門控中，在傳感器讀取圖像之前，門快速連續(xù)地打開和關(guān)閉一定次數(shù)。這捕捉了一個(gè)場景的短高速電影。 通過考慮光的時(shí)空二元性，Liang想出了如何使用光衍射來實(shí)現(xiàn)時(shí)間門控。他意識(shí)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(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)域的專業(yè)知識(shí)。 Liang說：“幸運(yùn)的是，可以通過使用數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)——投影儀中常見的光學(xué)組件——以非常規(guī)的方式實(shí)現(xiàn)這種掃描衍射門。DMD是量產(chǎn)的，不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生衍射門，使系統(tǒng)具有成本效益和穩(wěn)定性。”

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脈沖激光的反應(yīng)，測量的氣泡半徑與空化理論預(yù)測的半徑相匹配。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：“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。”他曾在INRS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