Ny fotograferingstilgang giver traditionelle kameraer ultrahøje billedhastigheder

Forskere har udviklet en ny billeddannelsesmetode, der kan optage billeder med hastigheder på op til 1,5 millioner billeder i sekundet ved hjælp af standard billedsensorer, der typisk er begrænset til 100 billeder i sekundet. Denne nye teknologi gør det muligt at fange ekstremt hurtige begivenheder til applikationer som f.eks. Biomedicinsk forskning eller scener i slowmotion i en film.

Forskere fra Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Canada beskriver deres nye metode, kaldet komprimeret optisk-streaking ultrahøjhastighedsfotografering (COSUP), i tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik bogstaver . De viser kraften i COSUP ved at bruge den til at fange transmissionen af ​​en enkelt laserpuls med en bredde på kun 10 mikrosekunder.

"COSUP har en bred vifte af potentielle applikationer, fordi den kan integreres i mange billedinstrumenter fra mikroskoper til teleskoper, " forklarede Jinyang Liang, en adjunkt ved INRS og den tilsvarende forfatter til papiret. "Ved hjælp af forskellige CCD- og CMOS -kameraer med COSUP kan metoden også bruges til en lang række bølgelængder og til at erhverve forskellige optiske egenskaber, såsom polarisering."

Forskerne siger, at COSUP -systemet også kan være nyttigt for filmindustrien og sportsvideografi, hvor højhastighedskameraer bruges til at fange detaljerede, hurtige bevægelser til afspilning i slowmotion. De arbejder også på at miniaturisere systemet for at muliggøre slowmotion-videooptagelse i høj kvalitet med en smartphone.

Hurtigere billeddannelse

Selvom nutidens kameraer er meget følsomme og kan bruges med en lang række bølgelængder, deres hastighed er typisk begrænset på grund af billedsensoren. Specialhøjhastighedskameraer kommer med begrænsende afvejninger, såsom at optage kun få billeder ved høje hastigheder, endimensionel billeddannelse, lav opløsning, eller et omfangsrigt og dyrt setup. Forskerne udviklede COSUP til at omgå disse udfordringer ved at kombinere en beregningsmetode kaldet komprimeret sansning med en billeddannelsesmetode kaldet optisk streak -billeddannelse.

"COSUP har specifikationer, der ligner eksisterende højhastighedskameraer med en billedhastighed, der kan indstilles fra titusinder af billeder i sekundet til 1,5 millioner billeder i sekundet, "sagde Liang." Vi brugte komponenter fra hylden til at skabe et meget økonomisk system. "

For at udføre COSUP, komprimeret sansning bruges til rumligt at kode hver tidsramme i en scene ved hjælp af en digital mikromirror -enhed, eller DMD. Denne proces mærker optagelsestiden for hver frame på samme måde som en unik stregkode. Derefter bruges en scanner til at udføre tidsskæring, at skabe et optisk streak -billede - et lineært billede, hvorfra lysets tidsmæssige egenskaber kan udledes - der fanges med et traditionelt kamera i et enkelt skud.

"Selvom streakebilledet indeholder en blanding af 2-D rum- og tidsinformation, vi kan adskille dataene ved hjælp af rekonstruktion på grund af de unikke etiketter, der er knyttet til hver tidsramme, " sagde Xianglei Liu, en ph.d.-studerende ved INRS og hovedforfatteren af ​​papiret. "Dette giver COSUP et 2-D billeddannelsesfelt, der kan optage hundredvis af billeder i hver film med 1,5 millioner billeder i sekundet og en opløsning på 500 × 1000 pixels."

Optagelse af en enkelt laserpuls

Forskerne demonstrerede COSUP ved at afbilde to kortvarige begivenheder med et CMOS-kamera. I det første forsøg, de affyrede fire laserpulser, hver med en pulsbredde på 300 mikrosekunder, gennem en maske med bogstaverne USAF. Brug af COSUP med en billeddannelseshastighed på 60, 000 billeder i sekundet kunne de optage denne begivenhed med 240 billeder. Ved at øge billedhastigheden til 1,5 millioner billeder i sekundet, de registrerede en enkelt 10-mikrosekund laserpuls, der transmitterede gennem USAF-masken.

I det andet forsøg, forskerne spores placeringen af ​​et hurtigt kuglemønster. Brug af COSUP med en billeddannelseshastighed på 140, 000 billeder i sekundet, de registrerede den rumlige position og kuglemønsterets form over tid. De målte også boldens centroid i hver tidsramme og sammenlignede den med den kendte placering, som viste, at COSUP nøjagtigt kunne spore boldens position.

Forskerne planlægger at bruge et COSUP -system til at måle fosforescenslevetiden for individuelle nanopartikler, som kunne bruges til at oprette et optisk nanotermometer, der ville hjælpe en lysbaseret medicinsk behandling kendt som fotodynamisk terapi.

De arbejder også på at bruge COSUP til at forbedre billeddannelsen af ​​neuronernes membranspænding, som kan hjælpe med at afsløre de cellulære mekanismer, der ligger til grund for hjernens funktioner. Denne type billeddannelse er udfordrende, fordi processen er forbigående og ikke kan gentages, og de anvendte indikatorer producerer lidt lys. "Brug af COSUP med meget følsomme kameraer som f.eks. En elektronmultiplicerende CCD ville muliggøre realtid, hurtig billeddannelse påkrævet til denne applikation, "sagde Liang.

Forskerne arbejder også på at gøre bænksystemet kompakt nok til at blive brugt udenfor og i sidste ende til inkorporering i smartphones. De har indledt et industrielt samarbejde med Axis Photonique for at videreudvikle COSUP mod et kommercielt produkt.