基于衍射成像的超快相机捕捉微观世界的动态过程，或助力激光雷达

近日，利用衍射现象，加拿大和美国物理团队开发了一种新型超快摄影技术，位图图像的帧率能够达到上百万。该新型超快摄影技术可直接应用于现有照相机，并且其成本比目前高速成像技术成本更低。他们认为，该技术的应用领域广泛，从疾病检测到激光测距。

图1 Liang团队开发出一种衍射相机，能够在480万帧率的单次曝光下拍摄动态过程。[1]

鼓轮式摄像机

单次高速成像摄影技术避免了高速CCD传感器或CMOS相机的高成本和低灵敏性。该技术将单次曝光分解成短片段，并将这些片段映射到探测器的不同空间位置。此外，最常用的技术是通过光束分裂实现门控，但这种方法为了速度，牺牲了光吞吐量，而且需要高成本和更复杂的技术来扩大规模。

或者，利用某些中间标签的特性，例如不同波长的色散或入射光的不同角度，将信息从时间域转移到空间域。然而，这些方法都有缺点——通过波长表示时间会降低时间解析度，因为光谱会被分割，入射角度也会导致视觉误差。

在最新的研究中，Jinyang Liang与加拿大魁北克大学、加拿大协和大学、美国meta公司合作，开发了“衍射门控实时超高速成像”（DRUM）技术。该技术的基础是DMD，这是一种由数十万个用于商业投影仪的显微镜组成的矩形阵列。通过轻微旋转镜子，该装置产生明暗像素，使灯泡发出的光线直射或远离镜头。

拍DMD电影

该团队将DMD用于电影拍摄，而不是放映机。该阵列就像一个衍射光栅，在任何给定的时间点上，将大部分入射光反射到一个特定的衍射面，并且通过编程使得在连续的时间点上，反射镜翻转将光聚焦到相邻面。通过这种方式，一系列图像能在时间尺度上分割，然后被一个大型探测器捕获。

图2 DRUM摄影原理图，七个衍射级实现时间分辨。[1]

在演示实验中，Liang团队使用一个蓝色473 nm连续波激光照射到一个快速变化的场景，然后使用分束器和几个镜头将时间编码光的光导向DMD，转化为空间编码的光发送给CMOS相机。

该团队称，成像速率取决于若干个因素，其中包括切换微镜和使用光频率，更高频率对应着更紧密的衍射级。他们能够清楚地分辨出其中不同的衍射级别，切换反射镜仅需1.5 微秒，因此，图像产生速度高达480万帧/秒。

测试水和洋葱的成像速度

为证明DRUM的潜力，该团队利用该技术观察飞秒激光脉冲如何电离蒸馏水样本。在仅仅几微秒的时间里，他们能够描绘出等离子体通道的外观，随着时间变化，通道逐渐缩短和消失，最后出现了气泡。然后，通过略微增加飞秒泵浦能量，他们发现可以产生更大的气泡，气泡半径的增加复合流体动力学理论。

此外，该新技术还能够追踪生物样本（单层洋葱细胞）对飞秒激光脉冲的微秒级反应。他们展示了脉冲是如何消融细胞的，并详细记录了受损区域的大小和形状的变化。

他们说，该技术可以在破坏肾结石或胆结石等硬化组织的医疗程序中利用，同时也适用于纳米级手术。他们指出，其他潜在医疗应用包括超声刺激疾病的分子检测和治疗药物输送。在医学之外，该技术通过高速更新深度地图，提高激光雷达灵敏度，使车辆能够更快地探测到危险。

低成本

该团队认为，DRUM系统的售价可能低于10000美元，这将使其比具有类似成像速度的现有商业产品便宜10倍以上。他们说，通过使用更短波长的激光和更快的反射镜翻转，它可以得到进一步改进。事实上，他们补充说，该技术可以应用于更强大的微镜技术，例如一维微机电系统阵列，可以在纳秒级别上翻转镜子，有可能以10亿帧率的速度产生成像。

然而，在探测技术方面，他们面临着一个障碍。在当前版本中，他们通过沿着 CMOS 相机的对角轴对齐图像来捕捉七个衍射级。在保持信噪比的同时提高帧频，该技术将需要大型、高像素化和非常敏感的传感器，这些传感器在市场上可以买到，但价格至少可以翻一番。

[1] Xianglei Liu, Patrick Kilcullen, Youmin Wang, Brandon Helfield, and Jinyang Liang, "Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography," Optica 10, 1223-1230 (2023).

新闻链接：

https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2023/september/diffraction_lowers_the_cost_of_high-speed_imaging/