Новые достижения в области сверхбыстрой фотографии предлагают более доступный способ получения высокоскоростных изображений. Исследователи из Национального института научных исследований (INRS) в Канаде представили камеру, которая обладает скоростью съемки и пространственным разрешением, сравнимыми с коммерческими сверхбыстрыми камерами, но стоит гораздо дешевле.
«В нашей камере используется совершенно новый метод для получения высокоскоростных изображений», — сказал Цзиньян Лян из Национального института научных исследований (INRS) в Канаде. «Он имеет скорость съемки и пространственное разрешение , аналогичные коммерческим высокоскоростным камерам, но использует готовые компоненты, которые, вероятно, будут стоить менее одной десятой стоимости современных сверхбыстрых камер, стоимость которых может начинаться примерно со 100 000 долларов».
Новая камера может быть использована в различных областях, таких как мониторинг доставки лекарств в реальном времени или высокоскоростные лидарные системы для автономного вождения. Она основана на принципе сверхскоростного сканирования в реальном времени с помощью дифракционного управления (diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping DRUM) и предлагает возможность запечатлеть динамичные события со скоростью 4,8 миллиона кадров в секунду. Это достигается благодаря новому методу временного стробирования, известному как изменяющаяся во времени оптическая дифракция.
«Я считаю, что в долгосрочной перспективе фотография с помощью DRUM будет способствовать развитию биомедицины и технологий для автоматизации, таких как лидар для автономных систем вождения, где более скоростная визуализация позволит более точно определять опасности», — сказал Лян. «Однако парадигма DRUM-фотографии весьма универсальна. Теоретически ее можно использовать с любыми камерами CCD и CMOS, не умаляя при этом других их преимуществ, таких как высокая чувствительность».
Существующие методы сверхбыстрой визуализации обычно дороги и сложны в реализации, а их производительность ограничена компромиссом между количеством кадров и световой пропускной способностью. Однако новая камера справляется с этими проблемами, используя готовые компоненты, которые стоят гораздо меньше, чем современные сверхбыстрые камеры.
Обычные камеры используют затвор для контроля попадания света на датчик. Например, затвор в традиционной камере представляет собой шторку, которая открывается и закрывается один раз. В режиме стробирования затвор открывается и закрывается в быстрой последовательности определенное количество раз, пока датчик считывает изображение.
Принимая во внимание волновую двойственность света, Лян придумал, как реализовать высокоскоростной затвор с помощью дифракции света. Он понял, что быстрое изменение угла наклона периодических граней дифракционной решетки, которая может создавать несколько копий падающего света, движущегося в разных направлениях, даёт возможность расщеплять световой поток на несколько с очень короткой временной задержкой и последовательно, как бы по кругу, подавать нужные кадры на датчик.
Затем эти кадры можно было бы объединить в сверхбыстрый фильм. Чтобы превратить эту идею в работающую камеру, потребовалась многопрофильная команда, объединившая опыт в таких областях, как физическая оптика, сверхвысокоскоростная визуализация и проектирование оптических датчиков и матриц.
«К счастью, этот тип дифракционного затвора можно реализовать с помощью цифрового микрозеркального устройства (digital micromirror device, DMD) — обычного оптического компонента в проекторах, но нетрадиционным способом», — сказал Лян. «DMD производятся массово и не требуют механического перемещения для изготовления дифракционного затвора, что делает систему экономически эффективной и стабильной».
Команда создала камеру DRUM с глубиной последовательности в семь кадров, то есть она одновременно создаёт семь кадров за счёт расщепления входящего изображения. Охарактеризовав пространственное и временное разрешение системы, исследователи использовали ее для регистрации лазерного взаимодействия с дистиллированной водой.
Полученные покадровые изображения показали эволюцию плазменного канала и развитие пузыря в ответ на воздействие импульсного лазера, при этом измеренные радиусы пузырьков соответствовали предсказанным теорией кавитации.
Такая технология может иметь огромное значение для научных исследований, медицины и индустрии. Она позволяет визуализировать молекулярные взаимодействия, динамику фемтосекундных лазерных импульсов и другие быстрые процессы. Кроме того, она может быть применена в автономных системах, где точность и скорость обработки информации играют важную роль.
Исследователи продолжают работать над улучшением этой технологии и ее применением в различных областях. Благодаря новым достижениям в области сверхбыстрой фотографии, мы можем ожидать еще более захватывающих и точных визуальных исследований в будущем.
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться, будет ещё много таких. Есть мысли по предмету статьи и не только - приглашаю в комментарии. Также, если интересно, можете ознакомиться со страницами нашего проекта на других платформах, ссылки найдёте в описании канала. Кроме того, у меня есть страница на сервисе поддержки авторов Бусти, просто сообщаю, поддержка - дело добровольное, ссылка так же в описании канала.
Источник:
Цзиньян Лян и др., Сверхскоростная сканирующая фотография в реальном времени с дифракционным контролем (Jinyang Liang et al, Diffraction-gated real-time ultrahigh-speed mapping photography), Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.495041