Generell gilt: Wenn Sie klare Bilder von verrückten schnellen Bewegungen wie molekularen Wechselwirkungen oder Wassertropfen aufnehmen möchten, benötigen Sie ein super teures Rig. Forscher haben ein System entwickelt, das auf Projektortechnologie basiert und die Kosten erheblich senken könnte.

Ein Forschungsteam bestehend aus Mitgliedern des kanadischen National Institute of Scientific Research (INRS), der Concordia University und MetaPlatforms hat eine neue Kamera entwickelt, die Ereignisse in einer einzigen Aufnahme mit 4,8 Millionen Bildern pro Sekunde, einer zeitlichen Auflösung von 0,37 Mikrosekunden und einer Sequenztiefe von 7 Bildern erfassen kann.

Was die Leistung angeht, ist dies zwar nicht auf dem gleichen Niveau wie das, was Caltech vor ein paar Jahren erreicht hat, aber die DRUM-Technologie basiert auf handelsüblichen Komponenten und kostet nur einen Bruchteil kommerzieller Systeme.

„Unsere Kamera verfolgt einen völlig neuen Ansatz für die Hochgeschwindigkeitsbildgebung“, sagte Jinyang Liang vom INRS. „Seine Bildgeschwindigkeit und räumliche Auflösung ähneln kommerziellen Hochgeschwindigkeitskameras, aber bei Verwendung handelsüblicher Komponenten kann es weniger als ein Zehntel der heutigen Ultrahochgeschwindigkeitskameras kosten, die bei fast 100.000 US-Dollar beginnen.“

Im Mittelpunkt der Entwicklung steht eine neue zeitgesteuerte Methode namens zeitveränderliche optische Beugung. Bei einer normalen Kamera steuert eine verschlussförmige Blende die Lichtmenge, die auf den Sensor trifft. Beim Time-Gating wird eine Tür mehrmals schnell geöffnet und geschlossen, um kurze Hochgeschwindigkeitsvideos aufzunehmen.

Das Team schlug eine Methode zum zeitlichen Gating mithilfe von Lichtbeugung vor, bei der „der Neigungswinkel der periodischen Facetten auf dem Beugungsgitter schnell geändert wird“, um mehrere Kopien des einfallenden Lichts zu erzeugen, das sich in verschiedene Richtungen bewegt. Dadurch werden Bilder effektiv zu unterschiedlichen Zeitpunkten getrennt, um sehr kurze, ultraschnelle Zeitrafferfilme zu erstellen.

„Glücklicherweise kann diese Art der scannenden Beugungstür auf unkonventionelle Weise durch die Verwendung digitaler Mikrospiegelgeräte (DMDs) erreicht werden, einem häufigen optischen Element, das in Projektoren zu finden ist“, sagte Liang. „Das DMD wird in Massenproduktion hergestellt und erfordert keine mechanische Bewegung zur Herstellung der abgeleiteten Türen, was das System kostengünstig und stabil macht.“

Die DRUM-Kamera (Derivative Real-time Ultra-High Speed ​​​​Mapping) ist in der Lage, sieben Bilder pro Film aufzunehmen. Das multidisziplinäre Team des Projekts testete das Gerät, indem es die Wechselwirkung des Lasers mit destilliertem Wasser aufzeichnete und „die Entwicklung von Plasmakanälen und die Entwicklung von Blasen als Reaktion auf den gepulsten Laser zeigte“.

Die DRUM-Kamera erfasste auch die Blasendynamik kohlensäurehaltiger Getränke und die Wechselwirkung zwischen Zwiebelzellproben und ultrakurzen Laserpulsen. Es wird weiterhin daran gearbeitet, die Technologie weiter zu verfeinern, aber die Forscher sehen potenzielle Anwendungen in der Biomedizin und in autonomen Transport-Lidar-Systemen.

Ein Artikel über das Projekt wurde in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.