Los investigadores han desarrollado un nuevo método de imágenes que puede capturar imágenes a velocidades de hasta 1,5 millones de fotogramas por segundo utilizando sensores de imágenes estándar que normalmente se limitan a 100 fotogramas por segundo. Esta nueva tecnología permitirá capturar eventos extremadamente rápidos para aplicaciones como la investigación biomédica o escenas en cámara lenta en una película.

Investigadores del Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) en Canadá describen su nuevo método, llamada fotografía de ultra alta velocidad con rayas ópticas comprimidas (COSUP), en la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica . Muestran el poder de COSUP usándolo para capturar la transmisión de un solo pulso láser con un ancho de solo 10 microsegundos.

"COSUP tiene una amplia gama de aplicaciones potenciales porque puede integrarse en muchos instrumentos de imagen, desde microscopios hasta telescopios, "explicó Jinyang Liang, un profesor asistente del INRS y el autor correspondiente del artículo. "El uso de diferentes cámaras CCD y CMOS con COSUP también permite que el método se utilice para una amplia gama de longitudes de onda y para adquirir diversas características ópticas como la polarización".

Los investigadores dicen que el sistema COSUP también podría ser útil para la industria del cine y la videografía deportiva. donde se utilizan cámaras de alta velocidad para capturar detalles, movimientos rápidos para la reproducción en cámara lenta. También están trabajando para miniaturizar el sistema para permitir la captura de video en cámara lenta de alta calidad con un teléfono inteligente.

Imágenes más rápidas

Aunque las cámaras actuales son muy sensibles y se pueden utilizar con una amplia gama de longitudes de onda, su velocidad suele estar limitada debido al sensor de imágenes. Las cámaras especiales de alta velocidad vienen con compensaciones limitantes, como grabar solo unos pocos fotogramas a altas velocidades, imagen unidimensional, baja resolucion, o una configuración voluminosa y costosa. Los investigadores desarrollaron COSUP para solucionar estos desafíos mediante la combinación de un enfoque computacional llamado detección comprimida con un método de imagen llamado imagen óptica de rayas.

"COSUP tiene especificaciones similares a las cámaras de alta velocidad existentes con una velocidad de imagen que se puede ajustar desde decenas de miles de fotogramas por segundo a 1,5 millones de fotogramas por segundo, ", dijo Liang." Usamos componentes listos para usar para crear un sistema muy económico ".

Para realizar COSUP, La detección comprimida se utiliza para codificar espacialmente cada fotograma temporal de una escena utilizando un dispositivo de microespejos digitales. o DMD. Este proceso etiqueta el tiempo de captura de cada fotograma como un código de barras único. Luego, se usa un escáner para realizar un corte temporal, crear una imagen de raya óptica, una imagen lineal a partir de la cual se pueden inferir las propiedades temporales de la luz, que se captura con una cámara tradicional en una sola toma.

"Aunque la imagen de la racha contiene una mezcla de información espacial y temporal en 2-D, podemos separar los datos mediante la reconstrucción debido a las etiquetas únicas adjuntas a cada marco temporal, "dijo Xianglei Liu, estudiante de doctorado en INRS y autor principal del artículo. "Esto le da a COSUP un campo de visión de imágenes 2-D que puede grabar cientos de fotogramas en cada película a 1,5 millones de fotogramas por segundo y una resolución de 500 × 1000 píxeles".

Captura de un solo pulso de láser

Los investigadores demostraron COSUP obteniendo imágenes de dos eventos de corta duración con una cámara CMOS. En el primer experimento, dispararon cuatro pulsos láser, cada uno con un ancho de pulso de 300 microsegundos, a través de una máscara con las letras USAF. Usando COSUP con una velocidad de imagen de 60, 000 fotogramas por segundo fueron capaces de grabar este evento con 240 fotogramas. Al aumentar la velocidad de imagen a 1,5 millones de fotogramas por segundo, registraron un pulso de láser de 10 microsegundos que se transmitía a través de la máscara de la USAF.

En el segundo experimento, los investigadores rastrearon la posición de un patrón de bola que se movía rápidamente. Usando COSUP a una velocidad de imagen de 140, 000 cuadros por segundo, registraron la posición espacial y la forma del patrón de la pelota a lo largo del tiempo. También midieron el centroide de la pelota en cada marco temporal y lo compararon con la ubicación conocida, lo que demostró que COSUP podía rastrear con precisión la posición de la pelota.

Los investigadores planean usar un sistema COSUP para medir la vida útil de la fosforescencia de nanopartículas individuales, que podría usarse para crear un nanotermómetro óptico que ayudaría a un tratamiento médico basado en la luz conocido como terapia fotodinámica.

También están trabajando en el uso de COSUP para mejorar la imagen del voltaje de membrana de las neuronas, que puede ayudar a revelar los mecanismos celulares subyacentes a las funciones cerebrales. Este tipo de imagen es un desafío porque el proceso es transitorio y no repetible y los indicadores utilizados producen poca luz. "El uso de COSUP con cámaras de alta sensibilidad, como un CCD multiplicador de electrones, permitiría imágenes rápidas necesarias para esta aplicación, "dijo Liang.

Los investigadores también están trabajando para hacer que el sistema de sobremesa sea lo suficientemente compacto como para usarlo en el exterior y, eventualmente, para incorporarlo a los teléfonos inteligentes. Han iniciado una colaboración industrial con Axis Photonique para desarrollar aún más COSUP hacia un producto comercial.