Nový fotoaparát nabízí ultrarychlé zobrazování za zlomek běžných nákladů
Pořizování nerozmazaných snímků rychlých pohybů, jako jsou padající kapky vody nebo molekulární interakce, vyžaduje drahé ultrarychlé kamery, které pořizují miliony snímků za sekundu. V novém článku vědci uvádějí kameru, která by mohla nabídnout mnohem levnější způsob, jak dosáhnout ultrarychlého zobrazování pro širokou škálu aplikací, jako je monitorování podávání léků v reálném čase nebo vysokorychlostní systémy lidar pro autonomní řízení.
„Naše kamera používá zcela novou metodu k dosažení vysokorychlostního zobrazování,“ řekl Jinyang Liang z Institut national de la recherche scientifique (INRS) v Kanadě. „Má zobrazovací rychlost a prostorové rozlišení podobné komerčním vysokorychlostním kamerám, ale používá běžně dostupné komponenty, které by pravděpodobně stály méně než desetinu dnešních ultrarychlých kamer, které mohou začínat na téměř 100 000 $.“
V článku nazvaném „Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography“ objevujícím se v Optice, Liang spolu se spolupracovníky z Concordia University v Kanadě a Meta Platforms Inc. ukazují, že jejich nové difrakční hradlované ultra-vysokorychlostní mapování v reálném čase Kamera (DRUM) dokáže zachytit dynamickou událost při jediné expozici rychlostí 4,8 milionů snímků za sekundu. Tuto schopnost demonstrují zobrazováním rychlé dynamiky femtosekundových laserových pulzů interagujících s kapalinou a laserovou ablací v biologických vzorcích.
„Z dlouhodobého hlediska věřím, že fotografie DRUM přispěje k pokroku v biomedicíně a technologiích umožňujících automatizaci, jako je lidar, kde by rychlejší zobrazování umožnilo přesnější snímání nebezpečí,“ řekl Liang. „Avšak paradigma fotografie DRUM je docela obecné. Teoreticky jej lze použít s libovolnými fotoaparáty CCD a CMOS, aniž by došlo ke snížení jejich dalších výhod, jako je vysoká citlivost.“
Vytvoření lepšího ultrarychlého fotoaparátu
Navzdory velkému pokroku v ultrarychlém zobrazování jsou dnešní metody stále drahé a složité na implementaci. Jejich výkon je také omezen kompromisem mezi počtem snímků zachycených v každém filmu a propustností světla nebo časovým rozlišením. K překonání těchto problémů výzkumníci vyvinuli novou metodu časového hradlování známou jako časově proměnná optická difrakce.
Kamery používají brány k ovládání, kdy světlo dopadne na senzor. Například závěrka v tradičním fotoaparátu je typ brány, která se otevře a zavře jednou. Při časovém hradlení se brána otevírá a zavírá v rychlém sledu několikrát, než snímač přečte obraz. To zachycuje krátký vysokorychlostní film scény.
Zvážením časoprostorové duality světla Liang přišel na to, jak dosáhnout časového hradlování pomocí světelné difrakce. Uvědomil si, že rychlá změna úhlu náklonu periodických faset na difrakční mřížce, která může generovat několik replik dopadajícího světla putujícího různými směry, by mohla představovat způsob, jak procházet různými prostorovými pozicemi a uzavírat snímky v různých časových bodech.
Tyto snímky by pak mohly být poskládány do ultrarychlého filmu. Převedení této myšlenky do fungující kamery vyžadovalo multidisciplinární tým, který spojil odborné znalosti v oblastech, jako je fyzická optika, ultravysokorychlostní zobrazování a design MEMS.
„Naštěstí je možné dosáhnout tohoto typu rozmítané difrakční brány pomocí digitálního mikrozrcadlového zařízení (DMD) – běžné optické součásti v projektorech – nekonvenčním způsobem, “ řekl Liang. „DMD se vyrábí hromadně a nevyžadují žádný mechanický pohyb k výrobě difrakční brány, díky čemuž je systém nákladově efektivní a stabilní.“
Zachycení rychlé dynamiky
Tým vytvořil kameru DRUM s hloubkou sekvence sedmi snímků, což znamená, že v každém krátkém filmu zachytí sedm snímků. Po charakterizaci prostorového a časového rozlišení systému jej vědci použili k záznamu interakcí laseru s destilovanou vodou.
Výsledné časosběrné snímky ukázaly vývoj plazmového kanálu a vývoj bubliny v reakci na pulzní laser, přičemž naměřené poloměry bublin odpovídaly těm, které předpověděla teorie kavitace. Také zobrazili dynamiku bublin syceného nápoje a zachytili přechodné interakce mezi ultrakrátkým laserovým pulzem a jednovrstvým vzorkem buněk cibule.
„Fotografie DRUM může být dokonce aplikována na nanochirurgické operace a laserové čisticí aplikace,“ řekl první autor článku Xianglei Liu, dříve z INRS a nyní ve společnosti Ansys.
Výzkumníci pokračují v práci na zlepšení výkonu fotografie DRUM, včetně zvýšení rychlosti zobrazování a hloubky sekvence. Chtějí také prozkoumat zachycení informací o barvách a použití systému v dalších aplikacích, jako je lidar.