捕捉下落的水滴或分子相互作用等快速運動的清晰圖像，需要昂貴的超快相機，這種相機每秒可捕捉數百萬張圖像。據麥姆斯咨詢介紹，加拿大國立科學研究院（INRS）的研究人員近期報道了一種新型超快成像相機，有望提供一種成本低得多的超快成像方法，具有廣闊的應用前景，例如實時監測藥物輸送或自動駕駛高速激光雷達系統等。

“我們的相機系統采用了一種全新的方法來實現高速成像。”加拿大國立科學研究院的Jinyang Liang介紹說，“它使用了市售的現成組件，成像速度和空間分辨率與商用超快相機相近，但成本可能不到當前超快相機的十分之一，后者的起售價接近10萬美元。”

該研究成果已經以“Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography”為題發表于近期的Optica期刊。Jinyang Liang與加拿大康考迪亞大學以及Meta Platforms公司的研究人員合作完成了該項研究，據稱，他們開發的新型衍射門控實時超高速測繪（DRUM）相機能夠以每秒480萬幀的速度在單次曝光中捕捉動態事件。他們通過對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態進行成像，證明了這種高速成像能力。

DRUM成像系統設置

Liang說：“長遠來看，我相信DRUM成像將有助于生物醫學和激光雷達等自動化技術的進步，更快的成像有助于更準確地感知危險。當然，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相機一起使用，且不會影響它們自身的優勢，例如高靈敏度等。”

打造更好的超快相機

盡管超快成像技術近年取得了很大進步，但如今方案的成本仍然高昂且復雜。并且，它們的性能還受到成像過程中捕獲的幀數與光通量或時間分辨率之間的權衡限制。為了克服這些問題，研究人員開發了一種新的時間門控方法，稱為時變光學衍射。

相機通常采用門控來控制光線何時照射到傳感器。例如，傳統相機中的快門在每次拍攝中執行一次打開和關閉。在時間門控中，在傳感器讀取圖像之前，門會快速連續打開和關閉一定次數，從而捕捉一個場景的高速短片。

通過考量光的時空二元性，Liang發現了如何利用光衍射來實現時間門控。他意識到，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副本，進而提供一種掃過不同空間位置以在不同時間點選通幀的方法。

然后，可以將這些幀組合形成一段超快視頻。不過，將這個想法轉化為一臺可以工作的相機需要一支多學科團隊，匯集物理光學、超快速成像和微機電系統（MEMS）設計等領域的專業知識。

Liang說：“幸運的是，通過投影儀中常見的光學元件——數字微鏡器件（DMD），能夠以一種非常規的方式實現這種類型的掃描衍射門。DMD是批量生產的，不需要宏觀機械運動來產生衍射門，使這種系統具有成本效益且穩定。”

DRUM成像性能的表征

捕捉快速動態

研究人員開發了用于2D超高速實時成像的DRUM相機，幀速率為4.8 Mfps，時間分辨率為0.37 μs，序列深度為7幀。在表征了該系統的空間和時間分辨率后，研究人員用它來記錄了激光與蒸餾水的相互作用。

由此獲得的延時圖像顯示了響應脈沖激光的等離子體通道的演變和氣泡的形成，測量的氣泡半徑與空化理論預測的半徑相匹配。他們還對碳酸飲料的氣泡動力學進行了成像，并捕捉到了超短激光脈沖和單層洋蔥細胞樣本之間的瞬態相互作用。

利用DRUM相機捕捉超短激光脈沖和單層洋蔥細胞樣本之間的瞬態相互作用

“DRUM成像甚至還可以應用于納米手術和激光清潔應用。”該論文的第一作者Xianglei Liu說。

未來，研究人員將進一步提高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，并將該系統應用于激光雷達等其他應用。

審核編輯：劉清