Os pesquisadores desenvolveram um novo método de imagem que pode capturar imagens a velocidades de até 1,5 milhão de quadros por segundo, usando sensores de imagem padrão normalmente limitados a 100 quadros por segundo. Essa nova tecnologia tornará possível capturar eventos extremamente rápidos para aplicações como pesquisa biomédica ou cenas em câmera lenta em um filme.

Pesquisadores do Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) no Canadá descrevem seu novo método, chamada de fotografia de ultra-alta velocidade com listras ópticas compactadas (COSUP), no jornal The Optical Society (OSA) Cartas de Óptica . Eles mostram o poder do COSUP ao usá-lo para capturar a transmissão de um único pulso de laser com uma largura de apenas 10 microssegundos.

"O COSUP tem uma ampla gama de aplicações potenciais porque pode ser integrado em muitos instrumentos de imagem, de microscópios a telescópios, "explicou Jinyang Liang, professora assistente do INRS e autora correspondente do artigo. "Usar diferentes câmeras CCD e CMOS com COSUP também permite que o método seja usado para uma ampla gama de comprimentos de onda e para adquirir várias características ópticas, como polarização."

Os pesquisadores dizem que o sistema COSUP também pode ser útil para a indústria do cinema e videografia esportiva, onde câmeras de alta velocidade são usadas para capturar detalhes, movimentos rápidos para reprodução em câmera lenta. Eles também estão trabalhando para miniaturizar o sistema para permitir a captura de vídeo em câmera lenta de alta qualidade com um smartphone.

Imagem mais rápida

Embora as câmeras de hoje sejam muito sensíveis e possam ser usadas com uma ampla gama de comprimentos de onda, sua velocidade é normalmente limitada por causa do sensor de imagem. Câmeras especiais de alta velocidade vêm com compensações limitantes, como gravar apenas alguns quadros em altas velocidades, imagem unidimensional, baixa resolução, ou uma configuração volumosa e cara. Os pesquisadores desenvolveram o COSUP para contornar esses desafios, combinando uma abordagem computacional chamada sensoriamento comprimido com um método de imagem chamado imagem de faixa óptica.

"COSUP tem especificações semelhantes às câmeras de alta velocidade existentes, com uma velocidade de imagem que pode ser ajustada de dezenas de milhares de quadros por segundo a 1,5 milhão de quadros por segundo, "disse Liang." Usamos componentes prontos para usar para criar um sistema muito econômico. "

Para realizar o COSUP, a detecção comprimida é usada para codificar espacialmente cada quadro temporal de uma cena usando um dispositivo de microespelho digital, ou DMD. Este processo rotula o tempo de captura de cada quadro como um código de barras exclusivo. Em seguida, um scanner é usado para realizar o cisalhamento temporal, criar uma imagem de faixa ótica - uma imagem linear a partir da qual as propriedades temporais da luz podem ser inferidas - que é capturada com uma câmera tradicional em uma única foto.

"Mesmo que a imagem listrada contenha uma mistura de informações 2-D de espaço e tempo, podemos separar os dados usando reconstrução por causa dos rótulos exclusivos anexados a cada quadro temporal, "disse Xianglei Liu, doutoranda do INRS e autora principal do artigo. "Isso dá ao COSUP um campo de visão de imagem 2-D que pode gravar centenas de quadros em cada filme a 1,5 milhão de quadros por segundo e uma resolução de 500 × 1000 pixels."

Capturando um único pulso de laser

Os pesquisadores demonstraram o COSUP por meio de imagens de dois eventos de curta duração com uma câmera CMOS. No primeiro experimento, eles dispararam quatro pulsos de laser, cada um com uma largura de pulso de 300 microssegundos, através de uma máscara com as letras USAF. Usando COSUP com uma velocidade de imagem de 60, 000 quadros por segundo, eles foram capazes de gravar este evento com 240 quadros. Ao aumentar a velocidade de imagem para 1,5 milhão de quadros por segundo, eles registraram um único pulso de laser de 10 microssegundos transmitido através da máscara da USAF.

No segundo experimento, os pesquisadores traçaram a posição de um padrão de bola em movimento rápido. Usando COSUP a uma velocidade de imagem de 140, 000 quadros por segundo, eles registraram a posição espacial e a forma do padrão da bola ao longo do tempo. Eles também mediram o centróide da bola em cada quadro temporal e compararam-no com a localização conhecida, o que mostrou que o COSUP podia traçar com precisão a posição da bola.

Os pesquisadores planejam usar um sistema COSUP para medir os tempos de vida de fosforescência de nanopartículas individuais, que poderia ser usado para criar um nanotermômetro óptico que ajudaria em um tratamento médico baseado em luz conhecido como terapia fotodinâmica.

Eles também estão trabalhando no uso do COSUP para melhorar a imagem da voltagem da membrana dos neurônios, que pode ajudar a revelar os mecanismos celulares subjacentes às funções cerebrais. Esse tipo de imagem é desafiador porque o processo é transitório e não repetível e os indicadores usados ​​produzem pouca luz. "Usar o COSUP com câmeras altamente sensíveis, como um CCD de multiplicação de elétrons, permitiria o tempo real, imagem rápida necessária para esta aplicação, "disse Liang.

Os pesquisadores também estão trabalhando para tornar o sistema de bancada compacto o suficiente para uso externo e, eventualmente, para incorporação em smartphones. Eles iniciaram uma colaboração industrial com a Axis Photonique para desenvolver ainda mais o COSUP em direção a um produto comercial.