低コストで革新的高速イメージングソリューション

January, 11, 2024, Québec--革新的な超高速イメージングソリューションを低コストで実現
Jinyang Liang教授のチームは、生物医学とリモートセンシング技術の進歩に貢献する速さの新しいカメラを発表した。

Institut national de la recherche scientifique(INRS)のJinyang Liang教授が率いる新しい研究は、リアルタイムモニタリング、投薬摂取、および予防に使用できる光検出および測距(LIDAR)システムの開発など、幅広いアプリケーション向けにはるかに安価な超高速イメージング技術を提供できるカメラを発表した。これは、物や人との衝突を防ぐために使用できる。

「われわれのカメラは、全く新しい高速撮影方式を採用している。市場に出回っている高速カメラと同様の速度と空間分解能の記録が可能だが、既成の部品を使用しており、価格は10万ドル以上する今日の超高速カメラの10分の1ほどである」（Jinyang Liang）。

バイオ医薬品・新技術の発展に貢献
Optica Publishing Groupが発行するインパクトのある研究を専門とする学術誌「Optica」で、Concordia UniversityとMeta Platforms Inc.のLiang教授と共同研究者は、新しい回折ゲート式リアルタイム超高速マッピング(DRUM)カメラが、1回の露光で毎秒480万フレームの動的イベントを記録できることを示した。研究チームは、液体と相互作用するフェムト秒レーザパルスの高速ダイナミクスと、生体サンプルのレーザアブレーションを記録することで、このカメラの能力を実証している。

「長い目で見れば、DRUM写真は生物医学やLIDARのような自動化技術の進歩に貢献する。より高速な記録技術により、より正確な危険の検出が可能になる。ただし、DRUM写真モデルは比較的一般的である。理論的には、高感度などの他の利点を損なうことなく、CCDまたはCMOSセンサカメラに適用できる」（Jinyang Liang）。

高速ダイナミクスの記録
チームは、シーケンス深度が7フレームのDRUMカメラを作成し、各短編映画に7フレームを記録した。システムの空間分解能と時間分解能を特徴づけた後、研究チームはこれらのパラメータを実装して、レーザと蒸留水の間の相互作用を記録した。

時間経過画像は、パルスレーザの作用に反応してプラズマチャネルが進化し、気泡が形成される様子を示しており、測定された気泡半径はキャビテーション理論で予測されたものと一致している。また、炭酸清涼飲料水中の気泡のダイナミクスを画像化し、超短時間レーザパルスと単層タマネギ細胞サンプルの間の過渡的な相互作用を記録した。

「DRUM写真は、ナノサージェリーや、材料の表面から汚染物質を除去するレーザ洗浄用途にも使用できる」（論文の被全う著者Xianglei Liu）。

高速・高性能なカメラを創る
超高速イメージングのかなりの進歩にもかかわらず、現在の方法は依然として高価で実装が複雑である。また、各ムービーに記録されるフレーム数と光出力または時間分解能との間でユーザが行う必要のあるトレードオフによっても、その性能は制限される。これらの問題を解決するために、研究チームは、時変光回折として知られる新しい時間分割法を開発した。

カメラは、これらの「タイムゲート」を使用して、光がセンサに到達するタイミングを制御する。例えば、従来のカメラでは、シャッタは1回だけ開閉するドアのような役割を果たしていた。時分割原理では、画像がセンサに到達する前にドアが何度もすばやく開閉し、シーンの短くて非常に高速なフィルムを作成する。

光の時空二重性を考慮して、Jinyang Liangは光回折を使用して時間分割を達成する方法を考え出した。同氏は、回折格子内の周期的なファセットの傾斜角を急速に変化させることで、異なる方向に移動する入射光を複数回繰り返し生成できることに気づいた。このようにして、様々な空間位置をスキャンして、様々な時点で画像を同期させることができる。これらをつなぎ合わせて、超高速フィルムを作ることが可能になる。このアイデアを機能的なカメラに変えるために、物理光学、超高速イメージング、MEMSの設計などの分野で様々な専門知識を持つ学際的なチームが結成された。

「プロジェクタで一般的に使用されている光学部品であるこのデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)は、従来とは異なる用途から、目的のタイプのスキャニング回折ゲートを作成することができる」（Liang教授）。
DMDは大量生産されており、回折ゲートを生成するために機械的な動きを必要としないため、システムは費用対効果が高く、安定している。

研究チームは、特に記録速度とシーケンス深度の観点から、デバイスの性能を向上させるための作業を続けている。また、情報をカラーで記録し(画像は現在白黒のみ)、LIDAR技術などの他の分野にシステムを適用する可能性も評価したいと考えている。