Rekord: Kamera mit 10 Billionen Frames pro Sekunde

15. Oktober 2018, 18:17 Uhr
Aufbau der Rekordkamera T-CUP. Bild: INRS
Aufbau der Rekordkamera T-CUP. Bild: INRS
Ein an der kanadischen Forschungseinrichtung INRS eingesetzter Laser kann ultrakurze Lichtimpulse im Femtosekundenbereich (10-15 s) – viel zu kurz ist, um sie richtig abzubilden. Der Forscher Jinyang Liang und seine Kollegen vom kalifornischen Caltech um Lihong Wang haben mit T-CUP die wohl weltweit schnellste Kamera entwickelt, die 10 Billionen (1013) Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. Damit lässt sich selbst Licht in Zeitlupe darstellen.

In den letzten Jahren hat die Verbindung von nichtlinearer Optik und fortschrittlicher Bildgebung die Tür für neue und hocheffiziente Methoden zur mikroskopischen Analyse dynamischer Phänomene in Biologie und Physik eröffnet. Die Nutzung dieses Potenzials erfordert jedoch eine Möglichkeit, Bilder in Echtzeit mit sehr hoher zeitlicher Auflösung aufzunehmen. Mit den heutigen Verfahren müssen hierzu Messungen mit ultrakurzen Laserpulsen mehrfach wiederholt werden, was für einige Arten von Proben möglich, für andere zerbrechlichere jedoch ungeeignet ist. Lasergraviertes Glas kann beispielsweise nur einen einzigen Laserimpuls tolerieren, es steht weniger als eine Pikosekunde für die Erfassung der Ergebnisse zur Verfügung. In einem solchen Fall muss die Aufnahmetechnik in der Lage sein, den gesamten Prozess in Echtzeit zu erfassen.

 
Echtzeit-Aufnahmen eines Femtosekunden-Laserpulses bei 2,5 Tfps. Bild: Liang, Zhu & Wang.
Echtzeit-Aufnahmen eines
Femtosekunden-Laserpulses
bei 2,5 Tfps. Bild: Liang, Zhu
& Wang.
Die komprimierte ultraschnelle Fotografie (CUP) ist ein guter Ausgangspunkt. Mit 100 Milliarden Bildern pro Sekunde erreicht dieses Verfahren fast die Spezifikationen Femtosekundenlaser. Um das Konzept zu verbessern, wurde das neue T-CUP-System auf Basis einer Femtosekunden-Kamera entwickelt, die auch eine tomographische Datenerfassung erlaubt.

Die Bildqualität ist durch den Einsatz einer Femtosekunden-Kamera eingeschränkt. Um dies zu verbessern, wurde eine weitere Kamera hinzugefügt, die ein statisches Bild aufnimmt. In Kombination mit dem Bild von der Femtosekunden-Kamera kann man die so genannte Radon-Transformation nutzen, um hochwertige Bilder zu erhalten und trotzdem dabei bis zu 10 Billionen Bilder pro Sekunde aufnehmen.
T-CUP stellt den Weltrekord für Echtzeit-Frame-Raten auf und kann eine neue Generation von Mikroskopen für biomedizinische, materialwissenschaftliche und andere Anwendungen in die Wege leiten. Diese Kamera ermöglicht sogar, die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mit einer beispiellosen zeitlichen Auflösung zu analysieren und so völlig neue Erkenntnisse zu generieren.
 
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