加拿大国立科学研究院开发超快速成像摄像头 可用于自动驾驶汽车
文库划重点：《光学（Optica）》上发表的一篇论文中，Liang与加拿大康科迪亚大学（Concordia University）和Meta Platforms公司的合作人员展示了这种新型衍射门控实时超高速测绘技术（DRUM）摄像头。
该摄像头可以在单次曝光中以每秒480万帧的速度采集动态事件图像。
采集快速运动过程（如落下的水滴或分子相互作用）的清晰图像，需要使用昂贵的超快摄像头（每秒可采集数百万张图像）。据外媒报道，加拿大国立科学研究院（INRS）宣布开发出新摄像头，能够以极低的成本实现超快速成像，并适合多种应用，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。
（图片来源：Optica期刊）
研究人员Jinyang Liang表示：“这种摄像头利用全新方法来实现高速成像，其成像速度和空间分辨率类似于商用高速摄像头，但是可以使用现有组件。与当今超高速摄像头相比，其成本可能不到十分之一。”
在期刊《光学（Optica）》上发表的一篇论文中，Liang与加拿大康科迪亚大学（Concordia University）和Meta Platforms公司的合作人员展示了这种新型衍射门控实时超高速测绘技术（DRUM）摄像头。通过对飞秒激光脉冲与生物样品中的液体相互作用和激光消融进行快速动态成像，该摄像头可以在单次曝光中以每秒480万帧的速度采集动态事件图像。
Liang表示：“从长远来看，DRUM摄影将有助于生物医学和激光雷达等自动化技术的发展，通过更快的成像来更准确地感知危险。然而，DRUM摄影范式具有高度通用性。理论上来说，其可以与任何CCD和CMOS摄像头一起使用，而不会减弱高灵敏度等优势。”
创造更好的超快摄像头
目前，超快成像领域取得了很大进展，但具体的实施方法成本高且复杂，而且为了平衡每个短视频中的采集帧数与光通量或时间分辨率的关系，其性能可能受到影响。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新的时间选通（time-gating）方法，称为时变光学衍射。
摄像头通过门控来控制光线照射到传感器上的时间。例如，传统摄像头的快门是一开一关门控。在时间选通过程时，在传感器读取图像之前，门控可以快速连续地打开和关闭一定次数，从而采集一个场景的高速短视频。
考虑到光的时空对偶性，Liang提出利用光衍射实现时间门控的方法。他认识到，快速改变衍射光栅上周期面的倾斜角，可以产生入射光在不同方向上传播的多个副本，从而提供一种扫描不同空间位置的方法，在不同的时间点输出帧。然后，这些帧可以组合在一起形成超快视频。Liang表示：“幸运的是，使用数字微镜装置（DMD，投影仪中常见的光学元件）可以一种非常规方式实现这类扫描衍射门控。量产DMD不需要通过机械运动来产生衍射门控，因此该系统既经济又稳定。”
采集快速动态图像
该团队创建了一个序列深度为七帧的DRUM摄像头，即每个短视频可采集七帧。研究人员表征该系统的空间和时间分辨率，然后用它来记录激光与蒸馏水的相互作用。
由此得到的延时图像显示，响应脉冲激光的等离子体通道的演变和气泡的形成，所测量的气泡半径与通过空化理论预测的结果相匹配。研究人员还对一种碳酸饮料的气泡动力学进行成像，并发现超短激光脉冲与单层洋葱细胞样本之间的瞬态相互作用。该论文的第一作者Xianglei Liu表示：“DRUM摄像头甚至可以应用于纳米手术和激光清洁应用。”
研究人员致力于继续提高DRUM摄影的性能，包括提高成像速度和序列深度。他们还希望探索如何获取颜色信息，以及将该系统应用于激光雷达等其他应用。
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