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

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...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
Nature: Поражение лёгких при COVID долго не проходит из-за реакции иммунитета
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Energy: Создана мембрана для удаления CO2, работающая на влажности
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
Nature Communications: Доказана перспективность универсальной вакцины от гриппа
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRC: Ядерная структура титана-48 меняется при наблюдении с разного расстояния
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
PRSBBS: Несколько видов муравьев выработали одинаковые отношения с деревьями
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Кристаллографы СПбГУ раскрыли структуру минерала, открытого более 70 лет назад
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
В МТУСИ разработали систему отслеживания модели человека во время фитнеса
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Студенты СевГУ предложили способ найти сбежавшую собаку при помощи спутника
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Московский Политех открывает «Книгу будущего» для развития инновационных изданий
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Эффективность светодиодов для дополненной реальности выросла вдвое
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Advanced Materials: Гидрогелевое средство контрацепции сможет лечить эндометриоз
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов
Nature Physics: Новый коллайдер стал ближе с технологией маршалинга мюонов

Новости компаний, релизы

Московский вуз готовит профессионалов для защиты учебных заведений
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Московский Политех и ведущие российские компании запускают 79 практико-ориентированных образовательных программ
Студенты Университета МИСИС выиграли 2.8 млн рублей в хакатоне «Лидеры цифровой трансформации»
U-NOVUS 2024: технологическое развитие России немыслимо без университетов и инвестиций бизнеса в техпред