Los investigadores han desarrollado un nuevo método de imagen que puede capturar imágenes a velocidades de hasta 1,5 millones de fotogramas por segundo utilizando sensores de imagen estándar, normalmente limitados a 100 fotogramas por segundo. Esta nueva tecnología permitirá capturar eventos extremadamente rápidos para aplicaciones comocomo 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, llamado fotografía comprimida de ultra alta velocidad con rayas ópticas COSUP, en la revista The Optical Society OSA Cartas ópticas . Muestran el poder de COSUP al usarlo 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, profesor asistente del INRS y autor correspondiente del artículo. "Uso de diferentes cámaras CCD y CMOScon 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 movimientos detallados y rápidos para la reproducción en cámara lenta. También están trabajando para miniaturizar el sistema para permitircaptura 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 usar con una amplia gama de longitudes de onda, su velocidad generalmente es limitada debido al sensor de imágenes. Las cámaras especializadas de alta velocidad vienen con compensaciones limitantes, como grabar solo unos pocos cuadros a altavelocidades, imágenes unidimensionales, baja resolución 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 de decenas de miles de cuadros por segundo a 1.5 millones de cuadros por segundo", dijo Liang. "Utilizamos componentes listos para usar para crearun sistema muy económico "
Para realizar COSUP, la detección comprimida se usa para codificar espacialmente cada fotograma temporal de una escena usando un dispositivo de microespejo digital, o DMD. Este proceso etiqueta el tiempo de captura de cada fotograma como un código de barras único. Luego se usa un escáner para realizarcizallamiento temporal, creando una imagen de rayas ópticas, 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 rayas contiene una mezcla de información de espacio y tiempo en 2D, podemos separar los datos mediante la reconstrucción debido a las etiquetas únicas unidas a cada marco temporal", dijo Xianglei Liu, estudiante de doctorado en INRS y autor principal"Esto le da a COSUP un campo de visión de imágenes 2D que puede grabar cientos de cuadros en cada película a 1.5 millones de cuadros por segundo y una resolución de 500 × 1000 píxeles".
captura de un solo pulso láser
Los investigadores demostraron COSUP al obtener 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 unCon una velocidad de imagen de 60,000 cuadros por segundo, pudieron grabar este evento con 240 cuadros. Al aumentar la velocidad de imagen a 1,5 millones de cuadros por segundo, registraron un solo pulso 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 de movimiento rápido. Usando COSUP a una velocidad de imagen de 140,000 cuadros por segundo, registraron la posición espacial y la forma del patrón de bola con el tiempo. También midieronel centroide de la pelota en cada cuadro temporal y lo comparó 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 las 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, lo que puede ayudar a revelar los mecanismos celulares que subyacen a las funciones cerebrales. Este tipo de imagen es desafiante porque el proceso es transitorio y no repetible y los indicadores utilizados producen poca luz"El uso de COSUP con cámaras altamente sensibles como un CCD multiplicador de electrones permitiría la obtención de imágenes rápidas y en tiempo real necesarias para esta aplicación", dijo Liang.
Los investigadores también están trabajando para hacer que el sistema de mesa sea lo suficientemente compacto como para usarlo en el exterior y eventualmente incorporarlo a los teléfonos inteligentes. Han iniciado una colaboración industrial con Axis Photonique para desarrollar COSUP hacia un producto comercial.
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Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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