I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di imaging in grado di acquisire immagini a velocità fino a 1,5 milioni di fotogrammi al secondo utilizzando sensori di imaging standard generalmente limitati a 100 fotogrammi al secondo. Questa nuova tecnologia consentirà di catturare eventi estremamente veloci per applicazioni come la ricerca biomedica o le scene al rallentatore in un film.

I ricercatori dell'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Canada descrivono il loro nuovo metodo, chiamata fotografia ad altissima velocità con striature ottiche compresse (COSUP), nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica . Mostrano la potenza di COSUP utilizzandolo per catturare la trasmissione di un singolo impulso laser con una larghezza di soli 10 microsecondi.

"COSUP ha una vasta gamma di potenziali applicazioni perché può essere integrato in molti strumenti di imaging, dai microscopi ai telescopi, " ha spiegato Jinyang Liang, un assistente professore all'INRS e l'autore corrispondente per l'articolo. "L'utilizzo di diverse fotocamere CCD e CMOS con COSUP consente inoltre di utilizzare il metodo per un'ampia gamma di lunghezze d'onda e per acquisire varie caratteristiche ottiche come la polarizzazione".

I ricercatori affermano che il sistema COSUP potrebbe essere utile anche all'industria cinematografica e alla videografia sportiva, dove vengono utilizzate telecamere ad alta velocità per catturare dettagli, movimenti rapidi per la riproduzione al rallentatore. Stanno anche lavorando per miniaturizzare il sistema per consentire l'acquisizione di video al rallentatore di alta qualità con uno smartphone.

Imaging più veloce

Sebbene le fotocamere odierne siano molto sensibili e possano essere utilizzate con un'ampia gamma di lunghezze d'onda, la loro velocità è generalmente limitata a causa del sensore di immagine. Le fotocamere speciali ad alta velocità sono dotate di compromessi limitati come la registrazione di pochi fotogrammi ad alta velocità, imaging unidimensionale, Bassa risoluzione, o una configurazione ingombrante e costosa. I ricercatori hanno sviluppato COSUP per aggirare queste sfide combinando un approccio computazionale chiamato rilevamento compresso con un metodo di imaging chiamato imaging con strisce ottiche.

"COSUP ha specifiche simili alle telecamere ad alta velocità esistenti con una velocità di imaging regolabile da decine di migliaia di fotogrammi al secondo a 1,5 milioni di fotogrammi al secondo, " ha detto Liang. "Abbiamo utilizzato componenti standard per creare un sistema molto economico".

Per eseguire COSUP, il rilevamento compresso viene utilizzato per codificare spazialmente ogni fotogramma temporale di una scena utilizzando un dispositivo digitale a microspecchi, o DMD. Questo processo etichetta il tempo di acquisizione di ogni fotogramma in modo molto simile a un codice a barre univoco. Quindi uno scanner viene utilizzato per eseguire il taglio temporale, creando un'immagine di striature ottiche, un'immagine lineare da cui si possono dedurre le proprietà temporali della luce, che viene catturata con una fotocamera tradizionale in un unico scatto.

"Anche se l'immagine della striscia contiene un misto di informazioni spaziali e temporali in 2D, possiamo separare i dati utilizzando la ricostruzione a causa delle etichette univoche attaccate a ciascun frame temporale, " disse Xiangle Liu, uno studente di dottorato all'INRS e l'autore principale del documento. "Ciò offre a COSUP un campo visivo di imaging 2-D in grado di registrare centinaia di fotogrammi in ogni filmato a 1,5 milioni di fotogrammi al secondo e una risoluzione di 500 × 1000 pixel".

Catturare un singolo impulso laser

I ricercatori hanno dimostrato COSUP immaginando due eventi di breve durata con una fotocamera CMOS. Nel primo esperimento, hanno sparato quattro impulsi laser, ciascuno con una larghezza di impulso di 300 microsecondi, attraverso una maschera con le lettere USAF. Utilizzando COSUP con una velocità di imaging di 60, 000 fotogrammi al secondo sono stati in grado di registrare questo evento con 240 fotogrammi. Aumentando la velocità di imaging a 1,5 milioni di fotogrammi al secondo, hanno registrato un singolo impulso laser di 10 microsecondi trasmesso attraverso la maschera USAF.

Nel secondo esperimento, i ricercatori hanno tracciato la posizione di un modello di palla in rapido movimento. Utilizzando COSUP a una velocità di imaging di 140, 000 fotogrammi al secondo, hanno registrato la posizione spaziale e la forma dello schema della palla nel tempo. Hanno anche misurato il baricentro della palla in ogni frame temporale e lo hanno confrontato con la posizione nota, che ha dimostrato che COSUP poteva tracciare con precisione la posizione della palla.

I ricercatori intendono utilizzare un sistema COSUP per misurare la durata della fosforescenza delle singole nanoparticelle, che potrebbe essere utilizzato per creare un nanotermometro ottico che aiuterebbe un trattamento medico basato sulla luce noto come terapia fotodinamica.

Stanno anche lavorando all'utilizzo di COSUP per migliorare l'imaging del voltaggio di membrana dei neuroni, che può aiutare a rivelare i meccanismi cellulari alla base delle funzioni cerebrali. Questo tipo di imaging è impegnativo perché il processo è transitorio e non ripetibile e gli indicatori utilizzati producono poca luce. "L'utilizzo di COSUP con telecamere altamente sensibili come un CCD a moltiplicazione di elettroni consentirebbe la visualizzazione in tempo reale, imaging veloce richiesto per questa applicazione, " ha detto Liang.

I ricercatori stanno anche lavorando per rendere il sistema da banco abbastanza compatto da poter essere utilizzato all'esterno e, eventualmente, per l'incorporazione negli smartphone. Hanno avviato una collaborazione industriale con Axis Photonique per sviluppare ulteriormente COSUP verso un prodotto commerciale.