Honderd miljard beelden per seconde

Een nieuwe, ultrasnelle camera combineert twee optische technieken. Hij legt laserlichtpulsen vast terwijl ze reflecteren tegen een spiegeltje.

Foto's Nature

Een nieuwe, ultrasnelle camera kan filmpjes maken met een opnamesnelheid van 100 miljard beelden per seconde, genoeg om individuele lichtpulsen tijdens hun vlucht te filmen. Dat beschrijven onderzoekers Liang Gao en collega’s van Washington University deze week in Nature.

Met de camera zijn laserlichtpulsen vastgelegd terwijl ze tegen een spiegeltje reflecteren. En ook laserpulsen die van richting veranderen op de overgang tussen plastic en lucht. Maar de camera zou ook ultrasnelle celbiologische of astronomische gebeurtenissen kunnen filmen, opperen de auteurs.

De camera combineert twee bestaande optische technieken om slowmotionfilmen tot een nieuw record te brengen, honderd keer sneller dan eerder mogelijk was.

De eerste is de streak camera, ofwel de ‘veegcamera’, die extreem snelle, maar wel eendimensionale slomo-beelden kan maken, dus van lijnen waarlangs de lichtintensiteit varieert. Daarbij valt licht via een smalle spleet op een fotomultiplicatorbuis. Dat is een apparaat dat binnenvallend licht vertaalt in elektronen.

Die elektronen schieten vervolgens door een elektrisch veld waarvan de sterkte snel wordt opgevoerd. Daardoor worden ze afgebogen afhankelijk van hun doorkomsttijd: hoe later het elektron langskomt, hoe sterker het elektrisch veld, dus hoe sterker de afbuiging. De elektronen worden zo ‘uitgeveegd’ en vervolgens gedetecteerd met een beeldsensor.

Nadeel is dat dit alleen werkt met eendimensionale beelden. Een tweedimensionale streak camera zou de vegen van verschillende momenten over elkaar heen projecteren, en dus onontwarbare beelden opleveren.

Maar Gao en collega’s vonden een manier om die beelden wél te ontwarren. Ze combineerden de streak camera met een andere techniek, de zogeheten gecodeerde apertuur, oorspronkelijk ontwikkeld voor fotografie met röntgenstraling.

De allereenvoudigste gecodeerde apertuurcamera is de speldenprikcamera, geliefd bij experimentele fotografen met een hang naar eenvoud: via één klein gaatje in de voorkant van een doos wordt een beeld scherp geprojecteerd op de achterkant, waar lichtgevoelig papier is aangebracht.

Maar de lichtopbrengst van één gaatje is klein, dus de opname duurt lang, wat niet gunstig is voor ultrasnelle camera’s. Een gecodeerde apertuurcamera bestaat uit een patroon van vele gaatjes (dat is die code) die ieder hun eigen beeld projecteren, allemaal over elkaar heen. Met hulp van computeralgoritmes, en met bepaalde aannamen over hoeveel licht er in het oorspronkelijke beeld te zien is, valt uit dit geprojecteerde schaduwenspel het originele beeld te reconstrueren.

Deze truc om over elkaar heen geprojecteerde schaduwen toch te ontwarren, gebruiken de onderzoekers nu om de over elkaar heen liggende vegen van een tweedimensionale streak camera te onderscheiden, en de beelden samen te voegen tot een filmpje. Het kost een moderne pc wel tien minuten rekenen, maar dan heb je ook een filmpje met tot 350 frames van in totaal een nanoseconde (een miljardste seconde).

Eerder waren met hulp van streak camera’s al wel tweedimensionale ultra-slowmotionfilms gemaakt. Maar daarbij werd dezelfde gebeurtenis steeds herhaald, terwijl een eendimensionale streak camera steeds een stukje opschoof, om zo de gebeurtenis stapje voor stapje te scannen. Met de nieuwe ultrasnelle camera kunnen ook eenmalige, niet herhaalbare, gebeurtenissen vastgelegd worden met 100 miljard frames per seconde.