Optica：新相机以低成本实现超快成像

研究背景

      单次高速映射摄影是高速成像的一种重要方法，它能够在实际事件发生的瞬间捕捉多个时间帧，并将它们映射到不同的空间位置，然后由一个或多个二维探测器记录。这种技术避免了使用传统的超快速CCD或CMOS相机，从而消除了传感器填充因子和灵敏度方面的限制。与传统的条纹成像技术不同，高速映射摄影拥有2D超快成像能力，而且与许多计算型超快成像技术相比，它无需这些复杂的装置和算法。然而，传统的单次高速映射摄影方法存在一些限制，包括捕获序列深度与光吞吐量之间的权衡问题、视差误差的引入、成像维度的限制，以及激光照明可能对样本造成潜在损害的问题。为了克服这些限制，一些替代方法尝试将时间信息转化为不同的光子标签（如波长、角度和空间），然后利用这些标签的特性来分离时间切片。然而，这些方法通常需要复杂的装置，如光学参量放大器、高速旋转镜和飞秒脉冲整形器，并且受到光子标签的局限。

      在这种背景下，线性时空耦合技术变得引人关注，它是一种重要的成像技术，其中常见的是脉冲前倾（PFT）。PFT技术的核心思想是将时间与空间耦合，使得时间信息与空间位置之间存在线性关联，可以实现飞秒级的时间门控。该技术的独特之处在于，它不受时间分辨率和序列深度之间的权衡问题的制约。尽管现在基于PFT的线性时空耦合已经在多个领域得到广泛应用，然而现有的线性时空耦合系统通常只能进行点探测或线性探测，限制了其在高速映射摄影等领域的应用。此外，这些系统通常需要物体在空间上均匀分布或必须在侧向移动，这增加了实验的复杂性。最后，这些系统通常使用飞秒激光来探测事件，这可能对样品造成潜在的损害。

论文导读

      捕获快速运动的无模糊图像，如落水滴或分子相互作用，需要昂贵的超快相机每秒采集数百万张图像。尽管在超快成像方面取得了很大进展，但当今的方法仍然昂贵且实施起来复杂。它们的性能还受到捕获序列深度和光吞吐量之间或时间分辨率之间的权衡限制，同时还需要复制装置，增加了系统成本和复杂性。加拿大国家科学研究研究所与加拿大康考迪亚大学和Meta Platform公司队提出了衍射门控实时超高速映射(DRUM)摄影技术，利用光学时空对偶原理，通过动态相位配置实现线性时空耦合，实现了2D超高速实时成像，帧率为4.8 Mfps，时间分辨率为0.37微秒，序列深度为七帧。相关成果以Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography为题发表在Optica上。这项创新工作开创了高速映射摄影领域的新方向，消除了传统技术中的一些限制，具有广泛的应用前景。

技术突破

      DRUM摄影系统的操作原理源自光学中的时空对偶原理，通过将空间衍射和时间色散数学上等效的概念结合起来。本文旨在通过光衍射中的时间和空间耦合来克服基于PFT（脉冲前倾）的时间门控技术的限制。通过引入时间变化的线性相位坡度在空间频率域中，我们可以在实践中使用数字微镜装置（DMD）作为可编程衍射光栅，产生多个衍射阶，并通过其快速翻转运动，扫描衍射包络，从而提取出瞬态场景的连续帧。

      DRUM摄影系统的工作步骤如下：首先，使用473纳米的连续波激光照亮瞬态场景，并通过有限物镜透镜和分束器形成中间图像。接着，立体物镜透镜和DMD组成的4f成像系统处理图像，DMD的微镜快速翻转产生多个衍射阶，这些阶随后通过另一个4f成像系统传送到CMOS相机中。CMOS相机的曝光与DMD的翻转运动同步，借助微镜连续同步变化的倾斜角和时间变化的相位轮廓，实现连续帧的捕获。

      DRUM摄影系统的核心部件是DMD，其内在特性决定了系统的关键参数，包括序列深度、视场大小和帧率。序列深度由衍射中心的扫描范围和衍射阶的间距决定，系统具有七帧的序列深度。视场大小受到序列深度、放大倍数和相机传感器大小的共同影响，为了最大化视场，CMOS相机被旋转了34度。帧率受到微镜翻转运动的控制，根据衍射包络的扫描速度和衍射阶之间的距离来确定。

      本文评估了DRUM摄影系统的性能，主要包括空间分辨率、帧速率和时间分辨率的定量评估。在空间分辨率方面，使用负USA级别分辨率目标进行测试，结果显示系统成功解析了七个帧中的第7组第2个元素，从而确定了系统的空间分辨率为3.5微米。接着，通过使用光电二极管捕捉DMD微镜翻转运动中每个衍射阶的时间强度变化，评估了系统的帧速率，得出平均帧速率为4.8百万帧每秒，同时测定了时间分辨率为0.37微秒。接下来，还进行了两项概念验证实验，首先使用正弦波形光源诱发光强衰减，其次使用斜坡电压波形扫描光源。结果显示系统在捕捉高速动态事件时表现出良好的性能，证明了其潜力和可行性。本文还展示了DRUM摄影系统的广泛应用，通过观察飞秒激光脉冲与液体相互作用以及单层洋葱细胞的激光消融来验证其性能。

观点评述

      在本研究中，研究人员开发了一种名为DRUM摄影系统的衍射门控实时超高速成像技术，能够在单次曝光中以每秒4万帧的速度捕获动态事件。这一突破性技术的关键在于充分利用了光的时空二象性，并提出了一种创新的时间门控方法，被命名为时变光学衍射。通过迅速改变衍射光栅上周期性刻面的倾斜角度，DRUM摄影系统可以生成多个入射光的副本，沿不同方向行进，从而实现了在不同时间点屏蔽帧的扫描，随后将这些帧合并成超高速电影。

      DRUM摄影系统不仅在成像速度和空间分辨率上表现出与商用高速相机相媲美的性能，还使用了易获得的组件，从而降低了制造成本，可能不到当今超高速相机的十分之一，甚至可能接近100万美元。DRUM摄影系统对于生物医学和激光雷达等自动化技术的发展具有深远意义，因为更快的成像速度将使我们能够更准确地感知危险。未来，研究人员可以继续努力改进DRUM摄影的性能，包括提高成像速度和序列深度，探索捕获颜色信息的可能性，并将该技术应用于激光雷达等其他领域。

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