Wissenschaftler haben eine blitzschnelle wissenschaftliche Kamera entwickelt, die Bilder mit einer Kodierungsrate von 156,3 Terahertz (THz) für einzelne Pixel aufnimmt – das entspricht 156,3 Billionen Bildern pro Sekunde. Die Forschungskamera mit dem Namen SCARF (Swept-Coded Aperture Real-Time Femtophotography) könnte zu Durchbrüchen in Bereichen führen, in denen Mikroereignisse untersucht werden, die für die teuersten wissenschaftlichen Sensoren von heute zu schnell kommen und gehen.
SCARF hat ultraschnelle Ereignisse wie die Absorption in einem Halbleiter und die Entmagnetisierung einer Metalllegierung erfolgreich erfasst. Die Forschung könnte neue Grenzen in so unterschiedlichen Bereichen wie der Stoßwellenmechanik oder der Entwicklung wirksamerer Medikamente eröffnen.
Der Leiter des Forschungsteams war Professor Jinyang Liang des kanadischen Institut national de la recherche scientifique (INRS). Er ist ein weltweit anerkannter Pionier der ultraschnellen Fotografie, der auf seinen Durchbrüchen aus einer separaten Studie vor sechs Jahren aufbaute. Die aktuelle Forschung war veröffentlicht In Natur, zusammengefasst in einer Pressemitteilung von INRS und zuerst gemeldet weiter von Wissenschaft täglich.
Professor Liang und sein Unternehmen haben ihre Forschung auf eine neue Sicht auf ultraschnelle Kameras zugeschnitten. Typischerweise verwenden diese Systeme einen sequenziellen Ansatz: Sie erfassen Bilder einzeln und fügen sie zusammen, um die sich bewegenden Objekte zu beobachten. Aber dieser Ansatz hat Grenzen. „Zum Beispiel können Phänomene wie Femtosekundenlaserablation, Stoßwelleninteraktion mit lebenden Zellen und optisches Chaos auf diese Weise nicht untersucht werden“, sagte Liang.
Die neue Kamera baut auf Liangs früheren Forschungen auf, um die traditionelle ultraschnelle Kameralogik auf den Kopf zu stellen. „SCARF meistert diese Herausforderungen“, schrieb INRS-Kommunikationsbeauftragte Julie Robert in einer Erklärung. „Seine Bildgebungsmodalität ermöglicht ein ultraschnelles Abtasten einer statisch codierten Apertur, ohne das ultraschnelle Phänomen zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht Vollsequenz-Kodierungsraten von bis zu 156,3 THz für einzelne Pixel einer Kamera mit einem ladungsgekoppelten Gerät (CCD). Diese Ergebnisse können in einer einzigen Aufnahme mit einstellbaren Bildraten und räumlichen Maßstäben sowohl im Reflexions- als auch im Transmissionsmodus erzielt werden.“
Stark vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass die Kamera eine rechnergestützte Bildgebungsmodalität verwendet, um räumliche Informationen zu erfassen, indem sie Licht zu leicht unterschiedlichen Zeiten in den Sensor eintreten lässt. Da die räumlichen Daten im Moment nicht verarbeitet werden müssen, ist die Kamera unter anderem in der Lage, diese extrem schnellen „gezwitscherten“ Laserimpulse mit bis zu 156,3 Billionen Mal pro Sekunde zu erfassen. Die Rohdaten der Bilder können dann von einem Computeralgorithmus verarbeitet werden, der die zeitversetzten Eingaben dekodiert und jedes der Billionen Bilder in ein vollständiges Bild umwandelt.
Bemerkenswerterweise geschah dies „unter Verwendung handelsüblicher und passiver optischer Komponenten“, wie das Papier beschreibt. Das Team beschreibt SCARF im Vergleich zu bestehenden Techniken als kostengünstig, mit geringem Stromverbrauch und hoher Messqualität.
Obwohl sich SCARF mehr auf Forschung als auf Verbraucher konzentriert, arbeitet das Team bereits mit zwei Unternehmen, Axis Photonique und Few-Cycle, zusammen, um kommerzielle Versionen zu entwickeln, vermutlich für Kollegen an anderen Hochschulen oder wissenschaftlichen Einrichtungen.
Für eine technischere Erklärung der Kamera und ihrer möglichen Anwendungen können Sie hier klicken Sehen Sie sich den vollständigen Artikel an Natur.