高速数字成像不仅仅是快速拍照。它可以捕捉瞬间发生的事件，而且速度太快，人眼无法瞥见。超快摄影可应用于运动跟踪和分析、安全和机器人视觉，以及在实验室中观察瞬态物理、化学或生物现象。然而，高速摄像机通常非常昂贵。
为了寻找一种具有成本效益的替代方案，魁北克国家科学研究所的研究员Jinyang Liang将目光投向了光学。结果是相机类似于商用超快成像设备，但成本不到其价格的十分之一。梁的团队没有使用商用高速相机中那种昂贵的专用传感器，而是使用现成的组件来设计原型的机制，他们将其称为衍射门控实时超高速映射（DRUM）。
DRUM 摄影利用光的衍射作为“时间门”，即捕捉不同时间点的事件信息。研究人员将此称为衍射门。他们的相机可以在单次曝光中以每秒 480 万帧的速度实时捕捉动态事件。他们的研究结果发表在 9 月 20 日的《Optica》杂志上。
商用高速相机使用专门的传感器通过像素矩阵收集场景中的光线来“看到”动态事件，这些像素组合在一起就形成了图像。每个像素生成与落在其上的光成比例的电荷，并且这些电荷在读出之前临时存储在一系列寄存器中。
然而，这些超快相机也有缺点:它们往往存在视差误差、灵敏度低，并且可能因脉冲照明而损坏。此外，专用传感器的市场有限，导致价格过高。“[另一个缺点]是，你需要在感光区域周围放置许多寄存器，这意味着填充因子实际上非常小，因此[相机]没有很高的灵敏度，”梁说。
DRUM 摄影的核心器件是数字微镜器件(DMD)，该器件也存在于投影仪等消费电子产品中。DMD 具有由数十万个微镜组成的二维阵列，每个微镜对应一个像素。每个微镜都有两种状态:向光倾斜（打开）和远离光倾斜（关闭）。微镜可以通过机电方式在开和关状态之间快速翻转。“它基本上是一个二维衍射光栅，并且是可编程的，”梁说。
衍射光栅是一种光学元件，可将光分成其组成波长（不要与衍射门混淆，衍射门是 DRUM 摄影背后的机制）。梁说，它根据光线弯曲的次数生成多个衍射级，从而产生动态场景的复制品。通过使用两个微镜方向之间的快速过渡时间，并通过在衍射级上扫描衍射中心，研究人员创建了一个时间门来从复制品中提取连续帧。然后，选定的帧与相机曝光同步，形成超快的电影。
高速数字成像不仅仅是快速拍照。它可以捕捉瞬间发生的事件，而且速度太快，人眼无法瞥见。超快摄影可应用于运动跟踪和分析、安全和机器人视觉，以及在实验室中观察瞬态物理、化学或生物现象。然而，高速摄像机通常非常昂贵。
为了寻找一种具有成本效益的替代方案，魁北克国家科学研究所的研究员Jinyang Liang将目光投向了光学。结果是相机类似于商用超快成像设备，但成本不到其价格的十分之一。梁的团队没有使用商用高速相机中那种昂贵的专用传感器，而是使用现成的组件来设计原型的机制，他们将其称为衍射门控实时超高速映射（DRUM）。
DRUM 摄影利用光的衍射作为“时间门”，即捕捉不同时间点的事件信息。研究人员将此称为衍射门。他们的相机可以在单次曝光中以每秒 480 万帧的速度实时捕捉动态事件。他们的研究结果发表在 9 月 20 日的《Optica》杂志上。
商用高速相机使用专门的传感器通过像素矩阵收集场景中的光线来“看到”动态事件，这些像素组合在一起就形成了图像。每个像素生成与落在其上的光成比例的电荷，并且这些电荷在读出之前临时存储在一系列寄存器中。
然而，这些超快相机也有缺点:它们往往存在视差误差、灵敏度低，并且可能因脉冲照明而损坏。此外，专用传感器的市场有限，导致价格过高。“[另一个缺点]是，你需要在感光区域周围放置许多寄存器，这意味着填充因子实际上非常小，因此[相机]没有很高的灵敏度，”梁说。
DRUM 摄影的核心器件是数字微镜器件(DMD)，该器件也存在于投影仪等消费电子产品中。DMD 具有由数十万个微镜组成的二维阵列，每个微镜对应一个像素。每个微镜都有两种状态:向光倾斜（打开）和远离光倾斜（关闭）。微镜可以通过机电方式在开和关状态之间快速翻转。“它基本上是一个二维衍射光栅，并且是可编程的，”梁说。
衍射光栅是一种光学元件，可将光分成其组成波长（不要与衍射门混淆，衍射门是 DRUM 摄影背后的机制）。梁说，它根据光线弯曲的次数生成多个衍射级，从而产生动态场景的复制品。通过使用两个微镜方向之间的快速过渡时间，并通过在衍射级上扫描衍射中心，研究人员创建了一个时间门来从复制品中提取连续帧。然后，选定的帧与相机曝光同步，形成超快的电影。
深绿色背景下的一系列毛茸茸的紫色斑点研究人员开发的 DRUM 相机每秒能够收集数百万张图像，这使得观察非常快速的事件成为可能，例如水中等离子体脉冲的旅程（前三行）或水中气泡空化的形成[底行]。刘翔雷和梁金阳/INRS“我们看到了相同的动态场景，但首先我们将其复制成七块，”梁说。“然后，我们尝试在不同的时间点从不同的复制品中看到不同的帧，[最后]，我们将所有这些帧放在一起以恢复动态场景。” 由于所使用的波长和 DMD 的尺寸，它们的深度限制为七帧。“我们肯定想走得更高，我相信我们可以通过使用不同的波长和更大的微镜尺寸来实现。”
在他们的原型中，研究人员将光学元件与普通CCD或CMOS相机（智能手机中的相机类型）集成。“我们不会改变任何东西，这意味着如果这款相机具有高灵敏度，那么它就会被保留，”梁补充道。因此，随着灵敏度的提高，DRUM 机制在图像速度和可捕获帧数方面的性能可与传统超快相机相媲美。“而且我们的价格便宜得多，”梁说。
研究人员使用该设备记录蒸馏水中的气泡空化，以及响应脉冲激光的等离子体通道的演变。他们还拍摄了激光烧蚀洋葱细胞的情况。梁预计研究气泡动力学将转化为新的药物输送系统。另一个可能的应用是开发新的激光雷达系统，他的团队正在与Meta合作。“因为我们可以快速成像……它应该让我们更快地看到潜在的危险……[并]让车辆及时做出正确的决定，”他说。
梁说，DRUM 机制背后的概念本质上是“一种使用数字微镜设备的新颖方式”。他对这个项目背后的多学科团队表示认可，该团队由光学物理、超高速成像和微机电系统组成。这项工作建立在梁2018年与人合着的一项研究的基础上，该研究使用单次高速测绘摄影来实时观察瞬态场景。
