衍射門控超高速測繪相機面世

速度達每秒480萬幀 成本降低九成

科技日報北京9月18日電 (記者張夢然)要捕捉快速運動的清晰圖像，比如落下的水滴或分子相互作用，需每秒可采集數百萬張圖像的超快相機，這種相機非常昂貴。在最新發表于《光學》雜志的一篇論文中，加拿大科學家開發出一種新型相機，能以更便宜的方式來實現超快成像，適用于實時監測藥物輸送、自動駕駛的高速激光雷達系統等多種應用。

加拿大國家科學研究所、康科迪亞大學和元宇宙平臺公司聯合研制的這種新型衍射門控實時超高速測繪(DRUM)相機，可捕獲每秒480萬幀的單次曝光動態事件。他們通過對飛秒激光脈沖與生物樣品中的液體相互作用以及激光燒蝕的快速動態進行成像，展示了這種能力。

研究人員開發了一種新的時間選通方法，稱為時變光學衍射。相機使用門來控制光線何時照射到傳感器。在時間選通中，傳感器讀出圖像之前，門會快速連續打開和關閉一定次數。這會捕捉一個場景的高速短片。

考慮到光的時空二象性，研究人員想出了如何利用光衍射來完成時間選通。快速改變衍射光柵上周期性面的傾斜角度，可生成沿不同方向傳播的入射光的多個副本，提供一種掃描不同空間位置以在不同時間點排除幀的方法。然后可將這些幀組合在一起形成一部超快的電影。

研究人員使用數字微鏡器件以非常規方式完成了這種類型的掃描衍射門。他們創建了一個序列深度為7幀的DRUM攝像機，并用它記錄了激光與蒸餾水的相互作用。

新相機的成像速度和空間分辨率與商用高速相機相似，但它使用了現成的組件，成本不到當今超快相機的1/10，而超快相機的起價接近10萬美元。