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(wàn)張圖像。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹,加拿大國(guó)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(lái)實(shí)現(xiàn)高速成像。”加拿大國(guó)立科學(xué)研究院的Jinyang Liang介紹說(shuō),“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(wàn)美元。”
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(chēng),他們開(kāi)發(fā)的新型衍射門(mén)控實(shí)時(shí)超高速測(cè)繪(DRUM)相機(jī)能夠以每秒480萬(wàn)幀的速度在單次曝光中捕捉動(dòng)態(tài)事件。他們通過(guò)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(shuō):“長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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。”
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(guò)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(wèn)題,研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的時(shí)間門(mén)控方法,稱(chēng)為時(shí)變光學(xué)衍射。
相機(jī)通常采用門(mén)控來(lái)控制光線(xiàn)何時(shí)照射到傳感器。例如,傳統(tǒng)相機(jī)中的快門(mén)在每次拍攝中執(zhí)行一次打開(kāi)和關(guān)閉。在時(shí)間門(mén)控中,在傳感器讀取圖像之前,門(mén)會(huì)快速連續(xù)打開(kāi)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(guò)考量光的時(shí)空二元性,Liang發(fā)現(xiàn)了如何利用光衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間門(mén)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(guò)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(guò),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(zhuān)業(yè)知識(shí)。
Liang說(shuō):“幸運(yùn)的是,通過(guò)投影儀中常見(jiàn)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(lèi)型的掃描衍射門(mén)。DMD是批量生產(chǎn)的,不需要宏觀(guān)機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生衍射門(mén),使這種系統(tǒng)具有成本效益且穩(wěn)定。”
DRUM成像性能的表征
捕捉快速動(dòng)態(tài)
研究人員開(kāi)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(lái)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。”該論文的第一作者Xianglei Liu說(shuō)。
未來(lái),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
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原文標(biāo)題:衍射門(mén)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
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