'S Werelds snelste 2D-camera legt 100 miljard beelden per seconde vast

Anonim

'S Werelds snelste 2D-camera vangt 100 miljard beelden per seconde op

Wetenschap

Colin Jeffrey

4 december 2014

Het CUP-systeem zou de snelste 2D-camera ter wereld zijn (afbeelding: Lihong Wang, PhD)

Onderzoekers van de Washington University in St.Louis hebben gebouwd wat volgens hen de 's werelds snelste 2D-camera is die alleen ontvangt en die in staat is om foto's te maken met een snelheid van maximaal 100 miljard beelden per seconde. Met behulp van een techniek genaamd Compressed Ultrafast Photography (CUP) hebben de onderzoekers tot nu toe foto's gemaakt van een aantal eigenschappen van lichtvermeerdering en gedrag die al de dimensionale grenzen van de fundamentele fysica verleggen.

Hoewel andere camera's die in natuurkundelaboratoria worden gebruikt aanspraak hebben gemaakt op hogere snelheden - het STAMP-systeem van de University of Tokyo bij 4, 4 biljoen FPS, een opmerkelijk voorbeeld - bereikt het model van de Washington University zijn ongelooflijke framesnelheid zonder de hulp van sequentiële verlichting. Dat wil zeggen, in opeenvolgende belichting wordt een ultrakorte laserpuls gesplitst in een reeks afzonderlijke afzonderlijke pulsen, elk in verschillende spectrale banden, die het doelobject belichten als opeenvolgende flitsen zodat de gehele scène kan worden vastgelegd met behulp van stroboscopische acquisitie.

In het geval van het nieuwe CUP-systeem is het een apparaat dat alleen kan worden ontvangen en waarbij geen opeenvolgende lichtflitsen nodig zijn, maar beelden van hoge snelheid vastlegt die meer lijken op de methode die wordt gebruikt bij snelle fotografie, waarbij een object met een eigen luminescentie - zoals een laser, in dit geval - kan beeld-voor-beeld worden vastgelegd terwijl het de lens passeert en het beeld wordt vastgelegd.

Als gevolg hiervan kan het CUP-systeem een ​​reeks luminescerende objecten vastleggen als een enkele camera-opname die niet alleen zeer vluchtige beelden vastlegt, maar ook metingen van hun ruimtelijke en tijdcoördinaten levert. Om de mogelijkheden van het systeem te demonstreren, hebben de onderzoekers vier voorbijgaande verschijnselen van een enkele laserpuls vastgelegd. Namelijk: laserpulsreflectie, breking, sneller dan lichtvoortplanting (van wat bekend staat als "niet-informatie "), en fotonracen in twee media.

"Voor de eerste keer kunnen mensen lichtimpulsen zien tijdens het vliegen, " zei Professor Lihong Wang, de leider van het onderzoeksteam. "Omdat deze techniek de beeldsnelheid van de beeldbewerking met orden van grootte vooruit helpt, gaan we nu een nieuw regime binnen om nieuwe visies te openen.Elke nieuwe techniek, vooral een van een grote sprong voorwaarts, wordt altijd gevolgd door een aantal nieuwe ontdekkingen. is onze hoop dat CUP nieuwe ontdekkingen in de wetenschap mogelijk maakt - die we zelfs nog niet kunnen verwachten. "

Het CUP-systeem is een uitbreiding op bestaande technologie die bekend staat als een streak-camera, een ultrasnelle detectie-inrichting die de variatie in intensiteit van een gemeten lichtpuls in de tijd meet. Echter, streak camera's registreren slechts in één dimensie, dus Wang en zijn team hebben dit in twee dimensies uitgebreid door nieuwe besturingsalgoritmen te configureren en een aantal extra eigen componenten toe te voegen.

Om afbeeldingen in een 2D-weergave uit te klappen, legt de CUP-systeemlens fotonen vast die worden uitgezonden door het luminescerende object dat wordt afgebeeld en stuurt deze vervolgens door een buis naar een digitaal microspiegelapparaat (DMD). Deze DMD heeft slechts een diameter van ongeveer 15 mm (0, 6 in) en bevat ongeveer 1 miljoen microspiegels, waarbij elke microspiegel slechts 7 micron vierkant is.

De microspiegels worden vervolgens gebruikt om het beeld te coderen en de fotonen te reflecteren naar een straalsplitser, die ze vervolgens voortstuwt naar een bijzonder verbrede spleet op de streak-camera. De fotonen worden vervolgens in elektronen omgezet en door twee elektroden gescheurd om tijd naar ruimte om te zetten. Dat wil zeggen dat de elektroden een variërende spanning toepassen, zodat de elektronen op ongelijksoortige tijden en op verschillende verticale posities arriveren. Ten slotte wordt alles voor de resulterende informatie vervolgens verzonden naar een Charge Coupled Device (CCD) om de informatie vast te leggen en door te geven voor analyse.

Dit hele proces duurt slechts 5 nanoseconden, of 5 miljardste van een seconde.

Mogelijke toepassingen voor deze nieuwe beeldvormingstechnologie zijn onder andere de gebieden van de biogeneeskunde, waar deze kan worden gebruikt bij het afbeelden van fluorescerende eiwitten of astronomie, waarbij de ultrasnelle en superhoge resolutie-invanging van luminescerende objecten bijzonder belangrijk is.

"Fluorescentie is een belangrijk aspect van biologische technologieën", zei professor Wang. "We kunnen CUP gebruiken om de levensduur van verschillende fluoroforen, inclusief fluorescerende eiwitten, met een lichte snelheid te visualiseren. Combineer CUP-beeldvorming met de Hubble-telescoop en we zullen zowel de scherpste ruimtelijke resolutie van de Hubble hebben als de hoogste temporele oplossing met CUP. Die combinatie zal ongetwijfeld nieuwe wetenschap ontdekken. "

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature

Bron: Washington University in St.Louis

Het CUP-systeem zou de snelste 2D-camera ter wereld zijn (afbeelding: Lihong Wang, PhD)