Neue Kamera bietet ultraschnelle Bildgebung zu einem Bruchteil der normalen Kosten

Um verwacklungsfreie Bilder schneller Bewegungen wie fallender Wassertropfen oder molekularer Wechselwirkungen aufzunehmen, sind teure ultraschnelle Kameras erforderlich, die Millionen von Bildern pro Sekunde aufnehmen. In einem neuen Artikel berichten Forscher über eine Kamera, die eine viel kostengünstigere Möglichkeit bieten könnte, ultraschnelle Bildgebung für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzielen, beispielsweise für die Echtzeitüberwachung der Medikamentenverabreichung oder für Hochgeschwindigkeits-Lidar-Systeme für autonomes Fahren.

„Unsere Kamera nutzt eine völlig neue Methode, um eine Hochgeschwindigkeitsbildgebung zu erreichen“, sagte Jinyang Liang vom Institut national de la recherche scientifique (INRS) in Kanada. „Sie verfügt über eine ähnliche Bildgeschwindigkeit und räumliche Auflösung wie kommerzielle Hochgeschwindigkeitskameras, verwendet jedoch handelsübliche Komponenten, die wahrscheinlich weniger als ein Zehntel der heutigen ultraschnellen Kameras kosten würden, die bei fast 100.000 US-Dollar beginnen können.“

In einem Artikel mit dem Titel „Diffraktionsgesteuerte Echtzeit-Ultrahochgeschwindigkeits-Mapping-Fotografie“, erschienen in Optik, zeigen Liang zusammen mit Mitarbeitern der Concordia University in Kanada und Meta Platforms Inc., dass ihre neue DRUM-Kamera (Diffraction-Gated Real-Time Ultra-High-Speed ​​Mapping) ein dynamisches Ereignis in einer einzigen Aufnahme mit 4,8 Millionen Bildern pro Sekunde erfassen kann. Sie demonstrieren diese Fähigkeit, indem sie die schnelle Dynamik von Femtosekunden-Laserpulsen bei der Wechselwirkung mit Flüssigkeit und Laserablation in biologischen Proben abbilden.

„Langfristig glaube ich, dass die DRUM-Fotografie zu Fortschritten in der Biomedizin und automatisierungsfähigen Technologien wie Lidar beitragen wird, wo eine schnellere Bildgebung eine genauere Erkennung von Gefahren ermöglichen würde“, sagte Liang. „Das Paradigma der DRUM-Fotografie ist jedoch recht allgemein gehalten. Theoretisch kann es mit allen CCD- und CMOS-Kameras verwendet werden, ohne deren andere Vorteile wie die hohe Empfindlichkeit zu beeinträchtigen.“

Eine bessere ultraschnelle Kamera entwickeln

Trotz großer Fortschritte in der ultraschnellen Bildgebung sind die heutigen Methoden immer noch teuer und komplex in der Implementierung. Ihre Leistung wird auch durch Kompromisse zwischen der Anzahl der in jedem Film aufgenommenen Bilder und dem Lichtdurchsatz oder der zeitlichen Auflösung begrenzt. Um diese Probleme zu überwinden, entwickelten die Forscher eine neue zeitgesteuerte Methode, die als zeitveränderliche optische Beugung bekannt ist.

Kameras verwenden Gates, um zu steuern, wann Licht auf den Sensor trifft. Beispielsweise ist der Verschluss einer herkömmlichen Kamera eine Art Tor, das sich einmal öffnet und schließt. Beim Time-Gating wird das Tor eine bestimmte Anzahl von Malen kurz hintereinander geöffnet und geschlossen, bevor der Sensor das Bild ausliest. Dadurch wird ein kurzer Hochgeschwindigkeitsfilm einer Szene aufgenommen.

Durch die Betrachtung der Raum-Zeit-Dualität des Lichts fand Liang heraus, wie man mithilfe der Lichtbeugung eine Zeitsteuerung erreichen kann. Er erkannte, dass eine schnelle Änderung des Neigungswinkels periodischer Facetten auf einem Beugungsgitter, die mehrere Replikate des einfallenden Lichts erzeugen kann, das sich in verschiedene Richtungen ausbreitet, eine Möglichkeit darstellen könnte, verschiedene räumliche Positionen zu durchlaufen, um Bilder zu unterschiedlichen Zeitpunkten auszublenden.

Diese Einzelbilder könnten dann zu einem ultraschnellen Film zusammengesetzt werden. Um diese Idee in eine funktionierende Kamera umzusetzen, war ein multidisziplinäres Team erforderlich, das Fachwissen in Bereichen wie physikalischer Optik, Ultrahochgeschwindigkeitsbildgebung und MEMS-Design vereinte.

„Glücklicherweise ist es möglich, diese Art von gewobbeltem Beugungstor zu erreichen, indem man auf unkonventionelle Weise ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD) – eine übliche optische Komponente in Projektoren – verwendet“, sagte Liang. „DMDs werden in Massenproduktion hergestellt und erfordern keine mechanische Bewegung zur Herstellung des Beugungstors, was das System kosteneffizient und stabil macht.“

Schnelle Dynamik einfangen

Das Team entwickelte eine DRUM-Kamera mit einer Sequenztiefe von sieben Bildern, was bedeutet, dass sie in jedem Kurzfilm sieben Bilder aufnimmt. Nachdem sie die räumliche und zeitliche Auflösung des Systems charakterisiert hatten, zeichneten die Forscher damit Laserinteraktionen mit destilliertem Wasser auf.

Die resultierenden Zeitrafferbilder zeigten die Entwicklung eines Plasmakanals und die Entwicklung einer Blase als Reaktion auf einen gepulsten Laser, wobei die gemessenen Blasenradien mit denen der Kavitationstheorie übereinstimmten. Sie bildeten außerdem die Blasendynamik eines kohlensäurehaltigen Getränks ab und erfassten vorübergehende Wechselwirkungen zwischen einem ultrakurzen Laserpuls und einer einschichtigen Zwiebelzellprobe.

„DRUM-Fotografie könnte sogar auf Nanochirurgie und laserbasierte Reinigungsanwendungen angewendet werden“, sagte der Erstautor des Artikels Xianglei Liu, früher am INRS und jetzt bei Ansys.

Die Forscher arbeiten weiterhin an der Verbesserung der Leistung der DRUM-Fotografie, einschließlich der Erhöhung der Bildgeschwindigkeit und der Sequenztiefe. Sie möchten auch die Erfassung von Farbinformationen und die Anwendung des Systems auf weitere Anwendungen wie Lidar untersuchen.