Forskare har utvecklat en ny avbildningsmetod som kan ta bilder med hastigheter på upp till 1,5 miljoner bilder per sekund med vanliga bildsensorer som vanligtvis är begränsade till 100 bilder per sekund. Denna nya teknik gör det möjligt att fånga extremt snabba händelser för applikationer som biomedicinsk forskning eller scener i slowmotion i en film.

Forskare från Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Kanada beskriver sin nya metod, kallas komprimerad optisk strimmig ultrahöghastighetsfotografering (COSUP), i tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver . De visar kraften i COSUP genom att använda den för att fånga överföringen av en enda laserpuls med en bredd på bara 10 mikrosekunder.

"COSUP har ett brett utbud av potentiella applikationer eftersom det kan integreras i många bildinstrument från mikroskop till teleskop, "förklarade Jinyang Liang, en biträdande professor vid INRS och motsvarande författare för tidningen. "Genom att använda olika CCD- och CMOS -kameror med COSUP kan metoden också användas för ett brett spektrum av våglängder och för att få olika optiska egenskaper som polarisering."

Forskarna säger att COSUP -systemet också kan vara användbart för filmindustrin och sportvideografi, där höghastighetskameror används för att fånga detaljerade, snabba rörelser för uppspelning i slowmotion. De arbetar också med att minimera systemet för att möjliggöra högkvalitativ slowmotion-videoinspelning med en smartphone.

Snabbare bildbehandling

Även om dagens kameror är mycket känsliga och kan användas med ett brett spektrum av våglängder, deras hastighet är vanligtvis begränsad på grund av bildsensorn. Speciella höghastighetskameror har begränsade avvägningar som att spela in bara några få bilder vid höga hastigheter, endimensionell avbildning, låg upplösning, eller en skrymmande och dyr installation. Forskarna utvecklade COSUP för att kringgå dessa utmaningar genom att kombinera en beräkningsmetod som kallas komprimerad avkänning med en avbildningsmetod som kallas optisk streckavbildning.

"COSUP har specifikationer som liknar befintliga höghastighetskameror med en bildhastighet som kan ställas in från tiotusentals bilder per sekund till 1,5 miljoner bilder per sekund, "sa Liang." Vi använde hyllkomponenter för att skapa ett mycket ekonomiskt system. "

För att utföra COSUP, komprimerad avkänning används för att rumsligt koda varje tidsram i en scen med hjälp av en digital mikromirror -enhet, eller DMD. Denna process märker tagningstiden för varje bild ungefär som en unik streckkod. Sedan används en skanner för att utföra tidsskärning, skapa en optisk radbild - en linjär bild från vilken ljusets temporala egenskaper kan härledas - som fångas med en traditionell kamera i ett enda skott.

"Även om radbilden innehåller en blandning av 2-D rymd- och tidsinformation, vi kan separera data med rekonstruktion på grund av de unika etiketterna som är fästa vid varje tidsram, "sa Xianglei Liu, en doktorand vid INRS och huvudförfattaren till tidningen. "Detta ger COSUP ett tvådelat bildfält som kan spela in hundratals bildrutor i varje film med 1,5 miljoner bilder per sekund och en upplösning på 500 × 1000 pixlar."

Fånga en enda laserpuls

Forskarna demonstrerade COSUP genom att avbilda två kortlivade händelser med en CMOS-kamera. I det första experimentet, de avfyrade fyra laserpulser, var och en med en pulsbredd på 300 mikrosekunder, genom en mask med bokstäverna USAF. Använda COSUP med en bildhastighet på 60, 000 bilder per sekund kunde de spela in denna händelse med 240 bilder. Genom att öka bildhastigheten till 1,5 miljoner bilder per sekund, de spelade in en enda 10-mikrosekund laserpuls som överfördes genom USAF-masken.

I det andra experimentet, forskarna spårade positionen för ett snabbt rörligt bollmönster. Använda COSUP med en bildhastighet på 140, 000 bilder per sekund, de registrerade den rumsliga positionen och formen på bollmönstret över tiden. De mätte också bollens centroid i varje tidsram och jämförde den med den kända platsen, som visade att COSUP exakt kunde spåra bollens position.

Forskarna planerar att använda ett COSUP -system för att mäta fosforescenslivstiden för enskilda nanopartiklar, som kan användas för att skapa en optisk nanotermometer som skulle underlätta en ljusbaserad medicinsk behandling som kallas fotodynamisk terapi.

De arbetar också med att använda COSUP för att förbättra avbildningen av membranspänning hos neuroner, som kan hjälpa till att avslöja de cellulära mekanismer som ligger till grund för hjärnans funktioner. Denna typ av bildbehandling är utmanande eftersom processen är övergående och kan inte upprepas och indikatorerna som används ger lite ljus. "Att använda COSUP med mycket känsliga kameror som en elektronmultiplikerande CCD skulle möjliggöra realtid, snabb bildbehandling krävs för denna applikation, "sa Liang.

Forskarna arbetar också med att göra bänksystemet tillräckligt kompakt för att kunna användas utomhus och så småningom för att införlivas med smartphones. De har inlett ett industriellt samarbete med Axis Photonique för att vidareutveckla COSUP mot en kommersiell produkt.