​Neue Kamera kann 4,8 Millionen Bilder pro Sekunde aufnehmen

Es wurde eine neu entwickelte Kamera entwickelt, die 4,8 Millionen Bilder pro Sekunde aufnehmen kann – zu einem Bruchteil der Kosten ihrer kommerziellen Zeitgenossen.

Wissenschaftler in Kanada haben einen Weg gefunden, mit handelsüblichen Komponenten verwacklungsfreie Bilder ultraschneller Bewegungen aufzunehmen, was den Preis im Vergleich zu bereits verwendeten ähnlichen Kameras um das Zehnfache senkt.

Sie verwendeten „Time-Gating“-Methoden, um Hochgeschwindigkeitsfilme von Szenen in einem unglaublich kurzen Zeitrahmen aufzunehmen.

Die Forscher hoffen, dass ihre Erfindung bald in der Biomedizin und zur Verbesserung der Gefahrenerkennungstechnologie für den Einsatz in autonomen Autos zum Einsatz kommen könnte.

Ziel der in der Fachzeitschrift Optica veröffentlichten Studie war es, einen Weg zu finden, verwacklungsfreie Bilder von ultraschnellen Bewegungen – wie fallenden Wassertropfen oder sogar molekularen Wechselwirkungen – auf kostengünstige Weise aufzunehmen.

Derzeit erfordert die Aufnahme ultraschneller Szenen wie dieser teure Kameraausrüstung – die bis zu astronomische 100.000 US-Dollar (80.000 £) kosten kann.

Ultraschnelle Bildgebung kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter die Echtzeitüberwachung der Medikamentenabgabe oder Hochgeschwindigkeits-Lidar-Systeme zur Erkennung von Gefahren in der Umgebung für selbstfahrende Autos.

Das Forschungsteam vom Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Kanada hat – zusammen mit Mitarbeitern der kanadischen Concordia University und Meta Platforms Inc. – eine beugungsgesteuerte Echtzeit-Ultrahochgeschwindigkeits-Mapping-Kamera (DRUM) entwickelt, die das kann Erfassen Sie ein dynamisches Ereignis in einer einzigen Aufnahme mit unglaublichen 4,8 Millionen Bildern pro Sekunde.

Das Team demonstrierte die Leistungsfähigkeit seiner DRUM-Kamera, indem es die blitzschnelle Dynamik von Femtosekunden-Laserimpulsen bei der Wechselwirkung mit Flüssigkeit und Laserablation in biologischen Proben erfasste.

Derzeit auf dem Markt erhältliche Kameras für ähnliche Aufnahmen können sowohl teuer als auch äußerst kompliziert sein, und ihre Leistung kann durch Kompromisse zwischen der Anzahl der in jedem Film aufgenommenen Bilder und dem Lichtdurchsatz oder der zeitlichen Auflösung eingeschränkt sein.

Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelten die Forscher eine neue „Time-Gating“-Methode, die als zeitveränderliche optische Beugung bekannt ist.

Kameras verwenden Gates, um zu steuern, wann Licht auf den Sensor trifft. Bei herkömmlichen Kameras ist der Verschluss beispielsweise ein Tor, das sich einmal öffnet und schließt.

Beim Time-Gating wird das Tor mehrmals in schneller Folge geöffnet und geschlossen, bevor der Sensor beginnt, das Bild auszulesen und einen kurzen Hochgeschwindigkeitsfilm einer Szene aufzunehmen.

Dr. Jinyang Liang, Assistenzprofessor am INRS, entdeckte eine Möglichkeit, mithilfe der Lichtbeugung eine Zeitsteuerung zu erreichen, indem er die Raum-Zeit-Dualität des Lichts berücksichtigte.

Dr. Liang und sein Team erkannten, dass sich schnell ändernde Facetten auf einem Beugungsgitter eine Möglichkeit darstellen könnten, durch verschiedene Positionen zu streichen, um Bilder zu unterschiedlichen Zeiten auszublenden.

Dr. Liang und sein Team setzten diese Idee dann in eine funktionierende Kamera um, was ein multidisziplinäres Team erforderte, das Fachwissen in Bereichen wie physikalischer Optik, Ultrahochgeschwindigkeitsbildgebung und MEMS-Design (mikroelektromechanisches Design) vereinte.

„Unsere Kamera nutzt eine völlig neue Methode, um eine Hochgeschwindigkeitsbildgebung zu erreichen“, erklärte Dr. Liang.

„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.“

Zur Konstruktion der Kameras fügte er hinzu: „Glücklicherweise ist es möglich, diese Art von Sweep-Beugungstor zu erreichen, indem man auf unkonventionelle Weise ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD) – eine übliche optische Komponente in Projektoren – verwendet.

„DMDs werden in Massenproduktion hergestellt und erfordern keine mechanische Bewegung zur Herstellung des Beugungstors, was das System kosteneffizient und stabil macht.“

Die Forscher entwickelten eine DRUM-Kamera mit einer Sequenztiefe von sieben Bildern – das heißt, sie erfasst sieben Bilder in jedem Kurzfilm – und zeichneten 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 Wechselwirkungen zwischen einem ultrakurzen Laserpuls und einer einschichtigen Zwiebelzellprobe.