Ultrahurtigt kamera tager 1 billion billeder pr. Sekund af transparente objekter og fænomener

For lidt over et år siden, Caltechs Lihong Wang udviklede verdens hurtigste kamera, en enhed, der er i stand til at tage 10 billioner billeder i sekundet. Det er så hurtigt, at det endda kan fange lys, der rejser i slowmotion.

Men nogle gange er det bare ikke nok at være hurtig. Ja, ikke engang det hurtigste kamera kan tage billeder af ting, det ikke kan se. Til det formål, Wang, Bren professor i medicinsk teknik og elektroteknik, har udviklet et nyt kamera, der kan tage op til 1 billion billeder pr. sekund af gennemsigtige objekter. Et papir om kameraet vises i tidsskriftet 17. januar Videnskab fremskridt .

Kamerateknologien, som Wang kalder fasefølsom komprimeret ultrahurtig fotografering (pCUP), kan tage video ikke bare af gennemsigtige objekter, men også af mere flygtige ting som chokbølger og muligvis endda af de signaler, der rejser gennem neuroner.

Wang forklarer, at hans nye billeddannelsessystem kombinerer det højhastighedsfotografisystem, han tidligere udviklede med en gammel teknologi, fasekontrastmikroskopi, der var designet til at muliggøre bedre billeddannelse af objekter, der for det meste er gennemsigtige, såsom celler, som for det meste er vand.

Fasekontrastmikroskopi, opfundet for næsten 100 år siden af ​​den hollandske fysiker Frits Zernike, fungerer ved at udnytte den måde, hvorpå lysbølger bremser og fremskynder, når de kommer ind i forskellige materialer. For eksempel, hvis en lysstråle passerer gennem et stykke glas, det vil bremse, når det kommer ind i glasset og derefter fremskynde igen, når det kommer ud. Disse ændringer i hastighed ændrer timingen af ​​bølgerne. Ved brug af nogle optiske tricks er det muligt at skelne lys, der passerede gennem glasset, fra lys, der ikke gjorde det, og glasset, selvom det er gennemsigtigt, bliver meget lettere at se.

"Det, vi har gjort, er at tilpasse standard fasekontrastmikroskopi, så det giver meget hurtig billeddannelse, som giver os mulighed for at forestille os ultrahurtige fænomener i gennemsigtige materialer, "Siger Wang.

Den hurtigt billeddannende del af systemet består af noget, Wang kalder tabsfri kodning komprimeret ultrahurtig teknologi (LLE-CUP). I modsætning til de fleste andre ultrahurtige videobilledteknologier, der tager en række billeder i træk, mens de gentager begivenhederne, LLE-CUP-systemet tager et enkelt skud, fange al den bevægelse, der sker i løbet af den tid, som et skud tager at fuldføre. Da det er meget hurtigere at tage et enkelt skud end flere skud, LLE-CUP er i stand til at fange bevægelse, såsom selve lysets bevægelse, det er alt for hurtigt til at blive afbildet af mere typisk kamerateknologi.

I det nye papir, Wang og hans medforskere demonstrerer mulighederne for pCUP ved at afbilde spredningen af ​​en stødbølge gennem vand og af en laserpuls, der bevæger sig gennem et stykke krystallinsk materiale.

Wang siger, at teknologien, selvom det stadig er tidligt i sin udvikling, kan i sidste ende have anvendelser på mange områder, herunder fysik, biologi, eller kemi.

"Når signaler bevæger sig gennem neuroner, der er en minuts udvidelse af nervefibre, som vi håber at se. Hvis vi har et netværk af neuroner, måske kan vi se deres kommunikation i realtid, "Siger Wang. Desuden han siger, fordi temperaturen vides at ændre fasekontrast, systemet "kan muligvis forestille sig, hvordan en flammefront breder sig i et forbrændingskammer."

Papiret, der beskriver pCUP, hedder "Picosekund-opløsning fasefølsom billeddannelse af transparente objekter i et enkelt skud."