DRUM摄影性能的特征。(a) 用美国空军的负分辨率目标测试的空间分辨率。(b)每个衍射级数中心的时间响应。(c) 条形目标强度衰减的延时图像。(d) 从(c)开始的归一化平均强度作为拟合时间的函数。(e) 与(c)相同，但显示激光束的扫掠运动。(f) 激光束的水平位置随时间的变化。
捕捉快速运动的无模糊图像需要昂贵的超高速相机，每秒可采集数百万张图像。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速成像，适用于广泛的应用，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。
“我们的相机使用一种全新的方法来实现高速成像，”加拿大国家科学研究所的Jinyang Liang说。“它具有与商用高速相机相似的成像速度和空间分辨率，但使用现成的组件，其成本可能不到当今超高速相机的十分之一，而超高速相机的起价接近100万美元。
在Optica Publishing Group的高影响力研究期刊Optica中，Liang与来自加拿大康考迪亚大学和Meta Platforms Inc.的合作者一起展示了他们的新型衍射门控实时超高速映射相机，可以在每秒4万帧的单次曝光中捕获动态事件。他们通过对飞秒激光脉冲与生物样品中的液体和激光烧蚀相互作用的快速动力学进行成像来证明这种能力。
“从长远来看，我相信DRUM摄影将有助于生物医学和激光雷达等自动化技术的进步，其中更快的成像将允许更准确地感知危险，”Liang说。“然而，DRUM摄影的范式是相当通用的。从理论上讲，它可以与任何CCD和CMOS相机一起使用，而不会降低其高灵敏度等其他优势。
打造更好的超快相机
尽管在超快成像方面取得了很大进展，但今天的方法仍然昂贵且实施起来很复杂。它们的性能还受到每部电影中捕获的帧数与光吞吐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门控方法，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上。例如，传统相机中的快门是一种打开和关闭一次的门。在时间门控中，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。这将捕获场景的短而高速电影。
通过考虑光的时空二象性，Liang想出了如何利用光衍射完成时间门控。他意识到，快速改变衍射光栅上周期性刻面的倾斜角度，可以产生沿不同方向传播的入射光的多个复制品，可以提供一种扫描不同空间位置的方法，以在不同时间点对帧进行门控。然后可以将这些帧组合在一起以形成超快电影。将这一想法转化为工作相机需要一个多学科团队，该团队汇集了物理光学、超高速成像和MEMS设计等领域的专业知识。
“幸运的是，通过使用数字微镜器件——投影仪中的一种常见光学元件——以非常规的方式实现这种类型的扫频衍射门，”Liang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和稳定性。”
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等离子体通道的演变和响应脉冲激光的气泡的发展，测得的气泡半径与空化理论预测的气泡半径相匹配。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品之间的瞬态相互作用。“DRUM摄影甚至可以应用于纳米手术和基于激光的清洁应用，”该论文的第一作者刘玲磊说，他曾就职于INRS，现供职于Ansys。
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系统应用于激光雷达等其他应用。
