Onderzoekers hebben een nieuwe beeldvormingsmethode ontwikkeld die beelden kan vastleggen met snelheden tot 1,5 miljoen frames per seconde met behulp van standaard beeldsensoren die doorgaans beperkt zijn tot 100 frames per seconde. Deze nieuwe technologie maakt het mogelijk om extreem snelle gebeurtenissen vast te leggen voor toepassingen zoals biomedisch onderzoek of slow motion-scènes in een film.

Onderzoekers van het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Canada beschrijven hun nieuwe methode, genaamd gecomprimeerde optische strepen ultrahoge snelheid fotografie (COSUP), in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters . Ze tonen de kracht van COSUP door het te gebruiken om de transmissie van een enkele laserpuls met een breedte van slechts 10 microseconden vast te leggen.

"COSUP heeft een breed scala aan potentiële toepassingen omdat het kan worden geïntegreerd in veel beeldvormende instrumenten, van microscopen tot telescopen, " legde Jinyang Liang uit, een assistent-professor bij INRS en de corresponderende auteur voor het papier. "Door verschillende CCD- en CMOS-camera's met COSUP te gebruiken, kan de methode ook worden gebruikt voor een breed scala aan golflengten en voor het verkrijgen van verschillende optische kenmerken zoals polarisatie."

De onderzoekers zeggen dat het COSUP-systeem ook nuttig kan zijn voor de filmindustrie en sportvideografie, waar hogesnelheidscamera's worden gebruikt om gedetailleerde, snelle bewegingen voor weergave in slow motion. Ze werken ook aan het miniaturiseren van het systeem om slow-motion video-opnames van hoge kwaliteit met een smartphone mogelijk te maken.

Snellere beeldvorming

Hoewel de huidige camera's erg gevoelig zijn en kunnen worden gebruikt met een breed scala aan golflengten, hun snelheid is meestal beperkt vanwege de beeldsensor. Speciale hogesnelheidscamera's hebben beperkte nadelen, zoals het opnemen van slechts een paar frames bij hoge snelheden, eendimensionale beeldvorming, lage resolutie, of een omvangrijke en dure installatie. De onderzoekers ontwikkelden COSUP om deze uitdagingen te omzeilen door een computationele benadering genaamd gecomprimeerde detectie te combineren met een beeldvormingsmethode die optische streak-beeldvorming wordt genoemd.

"COSUP heeft specificaties die vergelijkbaar zijn met bestaande high-speed camera's met een beeldsnelheid die instelbaar is van tienduizenden frames per seconde tot 1,5 miljoen frames per seconde, "zei Liang. "We gebruikten kant-en-klare componenten om een ​​zeer economisch systeem te creëren."

Om COSUP uit te voeren, gecomprimeerde detectie wordt gebruikt om elk tijdframe van een scène ruimtelijk te coderen met behulp van een digitaal microspiegelapparaat, of DMD. Dit proces labelt de opnametijd van elk frame net als een unieke streepjescode. Vervolgens wordt een scanner gebruikt om temporele afschuiving uit te voeren, het creëren van een optisch streepbeeld - een lineair beeld waaruit de tijdelijke eigenschappen van licht kunnen worden afgeleid - dat met een traditionele camera in een enkele opname wordt vastgelegd.

"Ook al bevat het streepbeeld een mix van 2-D ruimte- en tijdinformatie, we kunnen de gegevens scheiden met behulp van reconstructie vanwege de unieke labels die aan elk tijdelijk frame zijn bevestigd, " zei Xianglei Liu, een doctoraatsstudent bij INRS en de hoofdauteur van het papier. "Dit geeft COSUP een 2D-beeldveld dat honderden frames in elke film kan opnemen met 1,5 miljoen frames per seconde en een resolutie van 500 × 1000 pixels."

Een enkele laserpuls vastleggen

De onderzoekers demonstreerden COSUP door twee kortstondige gebeurtenissen in beeld te brengen met een CMOS-camera. In het eerste experiment, ze vuurden vier laserpulsen af, elk met een pulsduur van 300 microseconden, door een masker met de letters USAF. COSUP gebruiken met een beeldsnelheid van 60, 000 frames per seconde konden ze dit evenement opnemen met 240 frames. Door de beeldsnelheid te verhogen tot 1,5 miljoen frames per seconde, ze registreerden een enkele laserpuls van 10 microseconde die door het USAF-masker werd uitgezonden.

Bij het tweede experiment de onderzoekers volgden de positie van een snel bewegend balpatroon. COSUP gebruiken met een beeldsnelheid van 140, 000 beelden per seconde, ze legden de ruimtelijke positie en de vorm van het balpatroon in de loop van de tijd vast. Ze maten ook het zwaartepunt van de bal in elk temporeel frame en vergeleken het met de bekende locatie, waaruit bleek dat COSUP de positie van de bal nauwkeurig kon volgen.

De onderzoekers zijn van plan een COSUP-systeem te gebruiken om de fosforescentie-levensduur van individuele nanodeeltjes te meten, die zou kunnen worden gebruikt om een ​​optische nanothermometer te maken die een op licht gebaseerde medische behandeling zou ondersteunen die bekend staat als fotodynamische therapie.

Ze werken ook aan het gebruik van COSUP om de beeldvorming van membraanspanning van neuronen te verbeteren, die kunnen helpen bij het onthullen van de cellulaire mechanismen die ten grondslag liggen aan hersenfuncties. Dit type beeldvorming is een uitdaging omdat het proces van voorbijgaande aard is en niet herhaalbaar is en de gebruikte indicatoren weinig licht produceren. "Het gebruik van COSUP met zeer gevoelige camera's zoals een elektronenvermenigvuldigende CCD zou de realtime, snelle beeldvorming vereist voor deze toepassing, " zei Liang.

De onderzoekers werken er ook aan om het bench-top-systeem compact genoeg te maken om buiten te gebruiken en uiteindelijk voor inbouw in smartphones. Ze zijn een industriële samenwerking gestart met Axis Photonique om COSUP verder te ontwikkelen tot een commercieel product.