Сверхбыстрая камера засняла ультрафиолетовое излучение

15 октября 2020
12

Ученые адаптировали метод сжатой сверхбыстрой фотографии для съемки в ультрафиолетовом диапазоне и предложили алгоритм, который эффективнее справился с восстановлением изображения. Комбинация двух этих разработок позволила ученым фиксировать единичные или очень редкие события со скоростью полтриллиона кадров в секунду. Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.

Сжатую сверхбыструю фотографию в 2014 году впервые продемонстрировала группа ученых из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Им удалось создать сверхбыструю камеру, которая позволяла делать до ста миллионов кадров в секунду. За шесть лет подобные камеры совершенствовались не только с точки зрения самого устройства, но и алгоритмов обработки изображений. Дело в том, что информация об объекте, которую получается компьютер непосредственно с камеры требует дополнительной обработки, поэтому скорость метода и его качество зависит и от алгоритма обработки. 

Несмотря на то, что появилось множество новых улучшенных скоростных камер, они все еще могут регистрировать свет только в видимом и инфракрасном диапазоне, но не в ультрафиолетовом (УФ). Снимки в УФ диапазоне нужны, например, для исследования образования дефектов в кристаллах, генерации УФ-импульсов в результате четырехволнового смешения или для визуализации протекания химико-биологических реакций. Кроме того, использование цифрового микрозеркального устройства (DMD) для генераций изображений накладывает ограничения на скорость работы устройства. Псевдослучайная топология фотокатода позволяет преобразовать временные особенности сигнала в пространственные перед их преобразованием. Испускаемые фотокатодом электроны ускоряются и помещаются в переменное поле, которым они отклоняются в разные стороны и в итоге попадают на люминофорный экран. Он преобразует электрон обратно в фотоны, которые в итоге попадают на камеру для последующей обработки.

Помимо новой схемы, авторы использовали новый алгоритм обработки после регистрации сигнала камерой. Он позволяет разделить общую оптимизацию на несколько вторичных задач, которые решает с высокой точностью и работает для зашумленных входных данных. Физики сравнили возможности разработанного алгоритма с тем, что удается получить современными алгоритмами (на рисунке TwIST — стандартный алгоритм, PnP-ADMM — разработанный). Для демонстрации установки в работе ученые использовали импульсы длиной волны 266 нанометров, которые попадали на светоделитель и расходились в два плеча. Два полученных дочерних импульса с контролируемой временной задержкой попадали в систему регистрации. Излучение со стандартным гауссовым распределением интенсивностей авторы пропускали через маски (transmissive target) для того, чтобы создать изображение. В качестве примера они нарисовали светом слова «INRS» и «AXIS» и смогли записать их изображения с разрешением 1750 на 500 пикселей.

Ученые использовали фемтосекундный лазер для всех экспериментов и показали, что камера позволяет разрешать импульсы, расстояние между которыми всего 30 пикосекунд. Вместе с высокими пространственным разрешением и скоростью работы, этот результат говорит о том, что УФ камера может найти множество применений в фундаментальной или прикладной областях науки. А разработанный алгоритм обработки можно использовать для других типов скоростных камер.