Новая камера может изменить будущее сверхбыстрой съемки

Для получения нерезких изображений быстрых движений, таких как падающие капли воды или молекулярные взаимодействия, требуются дорогостоящие сверхбыстрые камеры, получающие миллионы изображений в секунду. 

В новой статье исследователи сообщают о камере, которая может предложить гораздо менее дорогой способ получения сверхбыстрых изображений для широкого спектра приложений, таких как мониторинг доставки лекарств в реальном времени или высокоскоростные лидарные системы для автономного вождения.

Наша камера использует совершенно новый метод для получения высокоскоростных изображений, — говорит Цзиньян Лян из Национального института научных исследований (INRS) в Канаде.

Она имеет скорость съемки и пространственное разрешение, аналогичные коммерческим высокоскоростным камерам, но при этом использует готовые компоненты, которые, скорее всего, стоят меньше десятой части стоимости современных сверхбыстрых камер, цена которых может достигать 100 000 долларов.

В журнале Optica, посвященном высокоэффективным исследованиям, Лян вместе с коллегами из Университета Конкордии (Канада) и компании Meta Platforms Inc. показали, что их новая сверхскоростная камера с дифракционной решеткой в реальном времени (DRUM) способна запечатлеть динамическое событие за одну экспозицию со скоростью 4,8 млн. кадров в секунду. Они демонстрируют эту возможность на примере съемки быстрой динамики фемтосекундных лазерных импульсов, взаимодействующих с жидкостью, и лазерной абляции в биологических образцах.

В долгосрочной перспективе я считаю, что фотография DRUM будет способствовать развитию биомедицины и технологий автоматизации, таких как лидар, где более быстрая съемка позволит более точно определять опасность, — уверяет Лян.

Однако парадигма фотографии DRUM является достаточно общей. Теоретически она может быть использована с любыми CCD и CMOS-камерами без ущерба для других их преимуществ, таких как высокая чувствительность.

Создание более совершенной сверхбыстрой камеры

Несмотря на значительный прогресс в области сверхбыстрой визуализации, современные методы по-прежнему дороги и сложны в реализации. Кроме того, их производительность ограничена компромиссом между количеством кадров, снимаемых в каждом фильме, и светопропускной способностью или временным разрешением. Для решения этих проблем исследователи разработали новый метод временного стробирования, известный как оптическая дифракция с изменением времени.

В фотоаппаратах используются затворы для управления моментом попадания света на матрицу. Например, затвор в традиционной камере представляет собой тип затвора, который открывается и закрывается один раз. При тайминге затвор открывается и закрывается в быстрой последовательности определенное количество раз, прежде чем матрица считывает изображение. Таким образом, снимается короткий высокоскоростной фильм о сцене.

Учитывая пространственно-временной дуализм света, Лян придумал, как реализовать временной режим с помощью дифракции света. Он понял, что быстрое изменение угла наклона периодических граней дифракционной решетки, которая может генерировать несколько копий падающего света, движущегося в разных направлениях, позволяет просмотреть различные пространственные позиции, чтобы получить кадры в разные моменты времени. Затем эти кадры могут быть объединены в сверхбыстрый фильм. Для воплощения этой идеи в работающую камеру потребовалась междисциплинарная команда, объединившая специалистов в таких областях, как физическая оптика, сверхскоростная визуализация и конструирование MEMS.

К счастью, подобный дифракционный затвор можно реализовать с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD) — распространенного оптического компонента в проекторах — нетрадиционным способом, — говорит Лян.

DMD выпускаются массово и не требуют механического перемещения для создания дифракционного затвора, что делает систему экономичной и стабильной.

Съемка быстрой динамики

Группа создала камеру DRUM с глубиной последовательности в семь кадров, то есть в каждом коротком ролике она снимает семь кадров. Охарактеризовав пространственное и временное разрешение системы, исследователи использовали ее для записи взаимодействия лазера с дистиллированной водой.

Полученные временные изображения демонстрируют эволюцию плазменного канала и развитие пузырька в ответ на воздействие импульсного лазера, причем измеренные радиусы пузырьков совпадают с предсказанными теорией кавитации. Также были получены изображения динамики развития пузырьков в газированном напитке и зафиксированы переходные взаимодействия между ультракоротким лазерным импульсом и однослойным образцом луковой клетки.

Фотографирование с помощью DRUM может даже найти применение в нанохирургии и лазерной очистке, — говорит первый автор статьи Сянлей Лю, ранее работавший в INRS, а теперь работающий в Ansys.

Исследователи продолжают работать над улучшением характеристик фотографии DRUM, в том числе над увеличением скорости съемки и глубины последовательности. Они также хотят изучить возможность захвата цветовой информации и применения системы в дополнительных приложениях, таких как лидар.

14.09.2023