För ett drygt år sedan, Caltechs Lihong Wang utvecklade världens snabbaste kamera, en enhet som kan ta 10 biljoner bilder per sekund. Det är så snabbt att det till och med kan fånga ljus som färdas i slowmotion.

Men ibland räcker det inte med att bara vara snabb. Verkligen, inte ens den snabbaste kameran kan ta bilder på saker den inte kan se. För detta ändamål, Wang, Bren professor i medicinsk teknik och elektroteknik, har utvecklat en ny kamera som kan ta upp till 1 biljon bilder per sekund av transparenta objekt. Ett papper om kameran visas i tidningen 17 januari Vetenskapliga framsteg .

Kameratekniken, som Wang kallar faskänslig komprimerad ultrasnabb fotografering (pCUP), kan ta video inte bara av transparenta objekt utan också av mer flyktiga saker som chockvågor och möjligen till och med av de signaler som rör sig genom neuroner.

Wang förklarar att hans nya bildsystem kombinerar höghastighetsfotografisystemet han tidigare utvecklat med en gammal teknik, faskontrastmikroskopi, som var utformad för att möjliggöra bättre avbildning av objekt som mestadels är transparenta, t.ex. celler, som mestadels är vatten.

Fas-kontrastmikroskopi, uppfann för nästan 100 år sedan av den nederländska fysikern Frits Zernike, fungerar genom att dra nytta av hur ljusvågor saktar ner och påskyndar när de kommer in i olika material. Till exempel, om en ljusstråle passerar genom en glasbit, det kommer att sakta ner när det kommer in i glaset och sedan påskynda igen när det går ut. Dessa hastighetsförändringar förändrar vågornas timing. Med hjälp av några optiska knep är det möjligt att skilja ljus som passerade genom glaset från ljus som inte gjorde det, och glaset, fast transparent, blir mycket lättare att se.

"Det vi har gjort är att anpassa standardfaskontrastmikroskopi så att det ger mycket snabb avbildning, vilket gör att vi kan bilda ultrasnabba fenomen i transparenta material, "Säger Wang.

Den snabbbildande delen av systemet består av något Wang kallar förlustfri kodning komprimerad ultrasnabb teknik (LLE-CUP). Till skillnad från de flesta andra ultrasnabba videobilder som tar en serie bilder i följd medan de upprepar händelserna, LLE-CUP-systemet tar ett enda skott, fånga all rörelse som sker under den tid som skottet tar att slutföra. Eftersom det är mycket snabbare att ta ett enda skott än flera skott, LLE-CUP kan fånga rörelse, såsom själva ljusets rörelse, det är alldeles för snabbt för att avbildas av mer typisk kamerateknik.

I det nya papperet Wang och hans medforskare demonstrerar förmågan hos pCUP genom att avbilda spridningen av en chockvåg genom vatten och en laserpuls som färdas genom en bit kristallint material.

Wang säger att tekniken, även om det fortfarande är tidigt i utvecklingen, kan i slutändan ha användningsområden inom många områden, inklusive fysik, biologi, eller kemi.

"När signaler reser genom neuroner, det finns en minuts utvidgning av nervfibrer som vi hoppas se. Om vi ​​har ett nätverk av neuroner, kanske vi kan se deras kommunikation i realtid, "Säger Wang. Dessutom har han säger, eftersom temperaturen är känd för att förändra faskontrast, systemet "kan kanske föreställa sig hur en flamfront sprider sig i en förbränningskammare."

Papperet som beskriver pCUP har titeln "Picosekund-upplösning fas-känslig avbildning av transparenta objekt i ett enda skott."