Новая камера может изменить будущее сверхбыстрой съемки

Для получения нерезких изображений быстрых движений, таких как падающие капли воды или молекулярные взаимодействия, требуются дорогостоящие сверхбыстрые камеры, получающие миллионы изображений в секунду. 

В новой статье исследователи сообщают о камере, которая может предложить гораздо менее дорогой способ получения сверхбыстрых изображений для широкого спектра приложений, таких как мониторинг доставки лекарств в реальном времени или высокоскоростные лидарные системы для автономного вождения.

Наша камера использует совершенно новый метод для получения высокоскоростных изображений, — говорит Цзиньян Лян из Национального института научных исследований (INRS) в Канаде.

Она имеет скорость съемки и пространственное разрешение, аналогичные коммерческим высокоскоростным камерам, но при этом использует готовые компоненты, которые, скорее всего, стоят меньше десятой части стоимости современных сверхбыстрых камер, цена которых может достигать 100 000 долларов.

В журнале Optica, посвященном высокоэффективным исследованиям, Лян вместе с коллегами из Университета Конкордии (Канада) и компании Meta Platforms Inc. показали, что их новая сверхскоростная камера с дифракционной решеткой в реальном времени (DRUM) способна запечатлеть динамическое событие за одну экспозицию со скоростью 4,8 млн. кадров в секунду. Они демонстрируют эту возможность на примере съемки быстрой динамики фемтосекундных лазерных импульсов, взаимодействующих с жидкостью, и лазерной абляции в биологических образцах.

В долгосрочной перспективе я считаю, что фотография DRUM будет способствовать развитию биомедицины и технологий автоматизации, таких как лидар, где более быстрая съемка позволит более точно определять опасность, — уверяет Лян.

Однако парадигма фотографии DRUM является достаточно общей. Теоретически она может быть использована с любыми CCD и CMOS-камерами без ущерба для других их преимуществ, таких как высокая чувствительность.

Создание более совершенной сверхбыстрой камеры

Несмотря на значительный прогресс в области сверхбыстрой визуализации, современные методы по-прежнему дороги и сложны в реализации. Кроме того, их производительность ограничена компромиссом между количеством кадров, снимаемых в каждом фильме, и светопропускной способностью или временным разрешением. Для решения этих проблем исследователи разработали новый метод временного стробирования, известный как оптическая дифракция с изменением времени.

В фотоаппаратах используются затворы для управления моментом попадания света на матрицу. Например, затвор в традиционной камере представляет собой тип затвора, который открывается и закрывается один раз. При тайминге затвор открывается и закрывается в быстрой последовательности определенное количество раз, прежде чем матрица считывает изображение. Таким образом, снимается короткий высокоскоростной фильм о сцене.

Учитывая пространственно-временной дуализм света, Лян придумал, как реализовать временной режим с помощью дифракции света. Он понял, что быстрое изменение угла наклона периодических граней дифракционной решетки, которая может генерировать несколько копий падающего света, движущегося в разных направлениях, позволяет просмотреть различные пространственные позиции, чтобы получить кадры в разные моменты времени. Затем эти кадры могут быть объединены в сверхбыстрый фильм. Для воплощения этой идеи в работающую камеру потребовалась междисциплинарная команда, объединившая специалистов в таких областях, как физическая оптика, сверхскоростная визуализация и конструирование MEMS.

К счастью, подобный дифракционный затвор можно реализовать с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD) — распространенного оптического компонента в проекторах — нетрадиционным способом, — говорит Лян.

DMD выпускаются массово и не требуют механического перемещения для создания дифракционного затвора, что делает систему экономичной и стабильной.

Съемка быстрой динамики

Группа создала камеру DRUM с глубиной последовательности в семь кадров, то есть в каждом коротком ролике она снимает семь кадров. Охарактеризовав пространственное и временное разрешение системы, исследователи использовали ее для записи взаимодействия лазера с дистиллированной водой.

Полученные временные изображения демонстрируют эволюцию плазменного канала и развитие пузырька в ответ на воздействие импульсного лазера, причем измеренные радиусы пузырьков совпадают с предсказанными теорией кавитации. Также были получены изображения динамики развития пузырьков в газированном напитке и зафиксированы переходные взаимодействия между ультракоротким лазерным импульсом и однослойным образцом луковой клетки.

Фотографирование с помощью DRUM может даже найти применение в нанохирургии и лазерной очистке, — говорит первый автор статьи Сянлей Лю, ранее работавший в INRS, а теперь работающий в Ansys.

Исследователи продолжают работать над улучшением характеристик фотографии DRUM, в том числе над увеличением скорости съемки и глубины последовательности. Они также хотят изучить возможность захвата цветовой информации и применения системы в дополнительных приложениях, таких как лидар.

14.09.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

При выборе материала для инфраструктурных...

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные предлагают контролировать москитов с помощью генетической селекции
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама
Учёные МИСИС и ИФХЭ РАН разработали быстрый и дешёвый метод получения вольфрама
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
Казанский студент намерен разработать умные очки в 3 раза дешевле аналогов
На российском рынке труда — дефицит инженеров и конструкторов на производстве
На российском рынке труда — дефицит инженеров и конструкторов на производстве
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
ANZJ of Public Health: Пары сварки подвергают сварщиков риску развития рака
ANZJ of Public Health: Пары сварки подвергают сварщиков риску развития рака
Казанские ученые выяснили, что русский язык позитивнее английского
Казанские ученые выяснили, что русский язык позитивнее английского
AIChE Journal: Инженеры исследуют расширение интеллекта для большей безопасности
AIChE Journal: Инженеры исследуют расширение интеллекта для большей безопасности
Оценка мозга при деменции и инсульте также предсказывает депрессию в конце жизни
Оценка мозга при деменции и инсульте также предсказывает депрессию в конце жизни
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

Новости компаний, релизы

U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред
Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Биохимики СПбГУ выяснили, что гипоксия плода в сочетании со стрессом матери может приводить к никотиновой зависимости
В России начинает работу фонд для нуждающихся в сложном высокотехнологичном лечении