高速成像的低成本解决方案：加拿大国家科学研究所开发出新型超高速相机

为了捕获分子相互作用等快速运动的清晰图像，通常需要每秒能采集数百万张图像的超高速相机；然而，这种相机的价格普遍比较昂贵。

近日，加拿大国家科学研究所（INRS）的研究人员研发了一款新型相机，可以在降低成本的同时实现超高速成像，适用于实时监测药物输送、自动驾驶的高速激光雷达系统等多种场景。相关研究成果发表在Optica上（DOI:  https://doi.org/10.1364/OPTICA.495041）。

“我们的相机使用一种全新的方法来实现高速成像，它具有类似于商用高速相机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快相机的十分之一，价格为10万美元左右。”研究人员表示道。

论文中，研究团队与其合作伙伴展示了他们的新型衍射门控实时超高速映射（DRUM）相机（图1），该相机可以在单次曝光中以480万帧/秒的速度捕获动态事件。为了验证这种能力，他们展示了飞秒激光脉冲与生物样品中的液体及激光烧蚀的快速动态互动成像。

图1 研究人员开发了一种衍射门控实时超高速映射（DRUM）相机，可以在单次曝光中以每秒480万帧的速度捕获动态事件。图为研究人员Xianglei Liu 和Jinyang Liang正在研究光学装置

图源：Xianglei Liu 和Jinyang Liang，INRS

Photonics Research编委、作者Jinyang Liang表示：“长期看来，我坚信DRUM摄影技术将推动生物医学和激光雷达等自动化技术的发展，其中更高速的成像能够更为精准地感知潜在危险。DRUM摄影的应用模式具有通用性，理论上它可以与任何CCD和CMOS相机配合使用，而不损失它们的高灵敏度等原有优点。”

虽然超高速成像领域已有显著进展，但现有的技术仍然价格高昂且操作复杂。其性能也受到每个视频序列所捕获的帧数与光的吞吐量、或时间分辨率的权衡制约。为了解决这些挑战，研究人员开发了一种新的时间门控技术，名为“时变光学衍射”。

摄像头通过门控制光线照射到传感器的时长。例如，传统相机的快门就是一种能够开启和关闭的门。而在时间门控技术中，门会在传感器读取图像前快速连续地开启和关闭若干次，从而捕捉到场景的一段高速视频序列。

基于光的时空二象性，Jinyang Liang提出了一种通过光衍射来实现时间门控的策略。他发现，通过快速调整衍射光栅上周期面的倾斜角，能够产生多个不同方向上传播的入射光的分束。这为扫描不同空间位置提供了一种方法，进而在不同时间点捕获帧。随后，可以将这些帧组合起来形成超高速视频。

Jinyang Liang表示：“值得庆幸的是，通过利用投影仪中常用的光学元件——数字微镜器件(DMD)，能够以一种特殊的方式实现这种扫描衍射门。DMD是大批量生产的，且无需机械运动就能产生衍射门，这使得整个系统既经济又稳定。”

该团队研制的DRUM摄像机能够在一个序列中连续捕获7帧图像。在评估了系统的空间和时间分辨率后，研究人员使用它来记录激光与蒸馏水之间的互动过程。

获得的延时图像清晰展现了等离子体通道在响应脉冲激光下的变化过程以及气泡的形成。实测的气泡半径与空化理论的预测相吻合。团队还成功捕捉了碳酸饮料中气泡的动态变化，以及超短激光脉冲与单层洋葱细胞样本的瞬时交互过程。论文的第一作者Xianglei Liu表示：“DRUM摄影技术甚至有望应用于纳米手术和基于激光的清洁领域。”

研究团队正致力于进一步优化DRUM摄影的性能，旨在提升其成像速度和序列深度。同时，他们也计划研究如何捕捉颜色信息，并探索将该技术应用于激光雷达等其他领域。

鉴于成像领域前沿成果不断，中国激光杂志社《激光与光电子学进展》瞄准这一热点问题，推出了“先进成像”专题刊，重点关注光电成像器件的设计与集成、光电成像系统的设计与构建，光电成像器件与系统的测试评估等内容，包含成像系统、光谱成像、计算成像、生物医学成像、遥感成像、红外成像、图像处理、机器视觉、关联成像、显示成像、X射线成像等与光学成像相关的方向。