در یک روش جدید فیلم‌های بلندی از اجسام غیردرخشان با فقط چند‌ صد فمتوثانیه بین فریم‌ها تولید شده است.

تصاویری از حرف A نوشته شده با رنگ که با 8 طول موج مختلف و با فاصله زمانی‌های 0، 4، 8 و 12 پیکوثانیه (ps) گرفته شده است. هر یک از 4 ستون مربوط به یک پالس لیزر است. این روش هر دو اطلاعاتِ مکانی و طیفی را در مقیاس‌های زمانی پیکوثانیه‌ای ثبت می‌کند (ویدئوی زیر را مشاهده کنید).

با استفاده از تصویربرداری با نرخ بیش از یک تریلیون در ثانیه، سریع‌ترین دوربین‌های امروزی می‌توانند مولکول‌ها را در هنگام واکنش با یکدیگر دنبال کنند. اما علیرغم این نرخ بالا، در هنگام مشاهده‌ی اجسام غیردرخشان، دوربین‌ها فقط می‌توانند تعداد انگشت شماری از تصاویر را در یک دوره تولید کنند. اکنون مهندسین به نرخی در حدود 4 تریلیون فریم در ثانیه دست یافته‌اند که 60 تصویر پشت سر هم را ثبت می‌کند. با این روش تحلیل ویدئوهای فرآیندهای فوق سریع مانند برهمکنش نور با بافت چشم در جراحی لیزر امکانپذیر خواهد شد.

دوربین‌های سریع و با کیفیت از ساختارهای نیمه‌رسانا موسوم به آرایه‌های CCD استفاده می‌کنند تا داده‌های تصویر را قبل از اینکه به حافظه بلندمدت منتقل شوند به سرعت ذخیره کنند. در بالاترین سرعت، به خاطر محدودیت فضای CCD، این دوربین‌ها فقط می‌توانند تعداد کمی از فریم‌های متوالی را ذخیره کنند. تصاویر باید در زیرنواحیِ غیر همپوشانِ CCD ذخیره شود پس افزایش تعداد تصاویر منجر به کاهش وضوح تصویر (resolution) می‌شود. برای غلبه بر این محدودیت پژوهشگرانی با هدایت متخصص فوتونیک فنگ چِن (Feng Chen) از دانشگاه ژیان جیائوتونگ چین روشی به نام نمونه‌برداری فشرده (compressive sampling) را ابداع کرده‌اند که اجازه‌ی ذخیره‌ تصاویر در نواحی هم‌پوشانِ CCD را می‌دهد.

در این کلیپ 33 پیکوثانیه‌ای که توسط روش جدید تولید شده است، یک پالس لیزر (لکه قرمز) از درون یک جامد شفاف عبور می‌کند. با رسیدن به لبه‌ی ماده (خط چین)، پالس بدون دیده شدن از هوا می‌گذرد، به یک آینه می‌خورد و سپس دوباره وارد ماده می‌شود (این ویدئو را در لینک منبع مشاهده کنید).

چیدمان آن‌ها ابتدا یک پالس لیزر شامل محدوده‌ی باریکی از فرکانس‌ها را به درون سیستمی از عدسی‌ها و توری‌های پراش می‌فرستد که پالس را به شکل یک «پالس چیرپ» با زمان طولانی‌تر کشیده می‌کند. لبه‌ی جلویی این پالس دارای فرکانس‌های بالاتر نور است و لبه‌ی عقبی آن فرکانس‌های کمتری دارد. به علاوه، برای اینکه نهایتا یک تصویر دو بعدی داشته باشیم پالس در جهت‌های عمود بر جهت انتشارش عریض می‌‌شود.

به گفته‌ی چِن، یک پالس با چنین ساختار فرکانسی را می‌توان با استفاده از روش‌های استاندارد برای تولید چندین فریم ویدئویی به کار برد زیرا بین فرکانس نور و مکان آن درون پالس تناظر دقیقی وجود دارد. اگر پالس نور از درون جسمی عبور کند، با کمک فرکانس برای تعیین تصویرِ مربوط به هر لحظه، می‌توان نور پراکنده شده را در یک ویدئو با ترتیب زمانی جمع آوری کرد.

در این پردازش تصویر جدید، پالس چیرپ با جسم مورد نظر برهمکنش می‌کند و آنگاه نور پراکنده شده قبل از اینکه بر روی دوربینِ CCD متمرکز شود، طرحی دو بعدی و تصادفی روی آن به جا می‌گذارد. فریم‌های حاصل از این پالس هنوز هم بر روی نواحی هم پوشان در آرایه CCD نوشته می‌شوند اما طرح دوبعدی نقش شده بر روی هر تصویر بازیابی فریم را با پردازش تصویر مناسب امکانپذیر می‌سازد.

ترنس وانگ Terence Wong از اعضای گروه در دانشگاه علم و صنعت هونگ کونگ می‌گوید «روش رمزگشایی، تصاویر روی هم افتاده را از یکدیگر جدا می کند. به این ترتیب می‌توانیم تصاویر بیشتری را روی یک حسگر بیندازیم».

این گروه پژوهشی با گرفتن تصاویری از یک پالس کوتاه و شدید نور که درون ماده ای شفاف حرکت می کند قابلیت های روش خود را نشان داده است. نور شدید ضریب شکست ماده‌ی جامد را عوض می کند به طوریکه با عبور پالس لیزرِ تصویربردار، تغییرشکل داده و محل پالس نور مورد نظر را آشکار می کند.

با استفاده از یک تک پالس لیزر چیرپ شده، سیستم توانست هر 260 فمتوثانیه یک عکس بگیرد و ویدئویی با 60 فریم بسازد در حالیکه تنها 40 فریم برای تصویربرداری از پالس نور متحرک لازم بود. در آزمایش جداگانه‌ای، گروه یک ویدئوی 60 فریمی ساخت که خروج پالس نور از ماده و سپس بازتاب آن را نشان می‌داد (ویدئوی بالا را ببینید). برای مشاهده همه اتفاقات، این ویدئو به 414 فمتوثانیه بین فریم ها نیاز داشت.

متخصص تصویربرداری رایانه ای جینیانگ لیانگ Jinyang Liangاز دانشگاه کبک معتقد است این روش بلافاصله کاربردهایی در اپتیک و فیزیک لیزر پیدا خواهد کرد و می گوید «این آزمایشها نشان‌دهنده‌ی سرعت قابل توجهی در تصویربرداری هستند. با توسعه‌ی بیشتر حتی ممکن است از آن به عنوان یک ابزار تصویربرداری پیشرفته برای بررسی نمونه‌های بیولوژیکی در جراحی‌های لیزری و تشخیص بیماری با عکسبرداری استفاده کرد».

گروه تحقیق همچنین تعدادی عکس سریع و پشت سر هم از حرف A که با یک رنگ (dye) پر شده بود تهیه کرد. هر عکس بازه‌ای باریک از طول موج‌ها را با اندکی جابجایی نسبت به عکس قبلی پوشش می‌داد و به این ترتیب عکس و طیفی از ماده در 12 پیکوثانیه به دست آمد.

چن و همکارانش پیشنهاد می‌کنند که این قابلیت برای چنین عکسبرداری سریع طیفی از اجسام به ویژه در مطالعه‌ی فرآیندهایی نظیر ارتعاشات شبکه در جامدات یا برهمکنش پالس‌های لیزر قوی با پلاسما مفید خواهد بود. علاوه بر آن، به گفته‌ی چن فیلم‌هایی با بسیار بیشتر از 60 فریم هم در توسعه‌های آتی امکانپذیر خواهد بود. «با به کار بردن منبع نوری با طیف پهن‌تر می‌توانیم بدون افزایش سرعت تصویربرداری به تعداد بیشتری فریم دست پیدا کنیم».

این تحقیق در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.

منبع

Longer Movies at Four Trillion Frames per Second