شش میلیون عکس در یک ثانیه

پژوهشگران یو.سی.ال.ای موفق شدند با استفاده از فناوری فیبر نوری، سریع‌ترین روش عکس‌برداری در جهان را بسازند.

به گزارش نیچر، این روش عکس‌برداری که درشت‌نگاری پیوسته تقویت‌شده با کدگذاری زمانی نام دارد و به اختصار، استیم (STEAM) خوانده می‌شود، می‌تواند هر 163 نانوثانیه یک‌بار عکس‌برداری کند. هر ثانیه برابر یک میلیارد نانو ثانیه است و این سرعت جدید تصویربرداری، شش برابر سریع‌تر از بهترین دوربین‌های فیلم‌برداری دیجیتالی است که در بازار یافت می‌شود.

البته کیفیت تصویر دوربین جدید تنها 2500 پیکسل (2.4 کیلوپیکسل) است که قابل قیاس با دوربین‌های دیجیتالی رایج نیست، اما به گفته کیسوکا گودا، فیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس و از سازندگان این دوربین سریع، کیفیت تصاویر را می‌توان ارتقا داد.

از چنین روش‌های تصویربرداری فوق‌ سریع می‌توان در بررسی فرآیند احتراق، برش‌های لیزری و هر فرآیند دیگری که تغییرات فوق‌العاده سریع و غیر قابل پیش‌بینی دارد، استفاده کرد؛ هرچند که گودا معتقد است این روش جدید به درد هر دانشمندی خواهد خورد.

مشکلات تراشه‌ای
ابزارهای تصویربرداری دیجیتالی رایج از سی.سی.دی استفاده می‌کنند. سی.سی.دی از تراشه‌های نیمه‌رسانایی تشکیل شده که وقتی نور به آنها برخورد می‌کند، الکترون از دست می‌دهند. در این پدیده که به اثر فتوالکتریک مشهور است، هر سلول از سی.سی.دی متناسب با نور ورودی بار الکتریکی می‌گیرد و پس‌از اندازه‌گیری و تقویت الکترونیکی علایم بدست‌آمده، در قالب تصویر دیجیتالی کدگذاری می‌شود.

اما این همه فرآیند، زمان را تلف می‌کند. دوربین‌های دیجیتالی معمولی می‌توانند در هر ثانیه حداکثر 30 بار عکس بگیرند. سریع‌ترین فناوری تصویربرداری موجود نیز در هر ثانیه حداکثر یک میلیون عکس تهیه می‌کند. اما در سرعت‌های بیشتر از این، نرسیدن نور کافی به ابزار و اغتشاش‌های الکترونیکی (نویز) سبب می‌شود تصویری مبهم، کم‌نور و به‌درد نخور بدست آید.

برای رفع این مشکل، پژوهشگران یو.سی.ال.ای از تبدیل تصویر 2 بعدی به پرتوهای مختلف نورس استفاده کردند. آنها نخست، تپ‌های نور یک لیزر فروسرخ را پخش کردند تا طیفی از نور تشکیل دهند و سپس، این طیف را به جسم هدف تاباندند. بدین‌سان، بخش‌های مختلف جسم با طول‌موج‌های مختلفی از نور روشن می‌شوند.

پرتوهای بازتاب‌‌شده از طریق یک فیبر نوری به‌سوی حسگر تصویری هدایت می‌شوند. فیبر نوری مانند هر محیط شفاف دیگری، پرتوهای با طول‌موج مختلف را با سرعت‌های متفاوتی منتقل می‌کند. پرتوهای با طول‌موج بیشتر، سریع‌تر حرکت می‌کنند و پرتوهای با طول‌موج کمتر، کندتر منتقل می‌کنند. بدین ترتیب، نخست پرتوهای با طول‌موج بلندتر به حسگر می‌رسند و پس از آن، پرتوهای با طول موج کمتر به‌ترتیب وارد حسگر می‌شوند. پرتوهای رسیده تقویت می‌شوند و با ثبت زمان ورود طول‌موج‌های مختلف، می‌توان تصویری را از آن‌چه با الگوی طیفی نور روشن شده بود، بازسازی کرد. برای تماشای فیلم فرآیند تصویربرداری، اینجا را کلیک کنید.

یک بعد بهتر از 2 بعد است
سیستم تصویربرداری جدید می‌تواند سی.سی.دی‌های فعلی را از عرصه خارج کند، زیرا فرآیند تحلیل الکترونیکی ساده‌تری دارد. پردازنده استیم به‌جای این‌که اطلاعات را از میلیون‌ها پیکسل دریافت کند، صرفا به پردازش اطلاعات دریافتی از تنها حسگر تصویری‌اش می‌پردازد و به همین دلیل، تصاویر را بسیار سریع‌تر از دوربین‌های عکسبرداری معمول می‌خواند.

گودا و دیگر همکارانش، چیا و جلالی، از این دوربین برای تصویربرداری از ریزکره‌هایی استفاده کردند که درون لوله فوق‌العاده باریکی از آب شناور بودند. در این آزمایش که به میکروشاره معروف است، آنان توانستند حرکت این ریزکره‌ها را با سرعت 6.1 مگاهرتز (6.1 میلیون بار در هر ثانیه) ثبت کنند؛ به عبارت دیگر، دوربین آنها هر 163 نانو ثانیه یک بار عکس گرفت.

به گفته جان دادلی، استاد فیزیک در دانشگاه فرانچ-کام، اهمیت این روش جدید علاوه بر سرعت فوق‌العاده آن، استفاده از تجهیزاتی است که در بازار به سادگی یافت می‌شود. وی عقیده دارد که با بهبود دستگاه فعلی، می‌توان از این روش در بررسی دو فرآیند صنعتی بسیار مهم فرایندهای احتراق و برش لیزری سود جست که هنوز به خوبی درک نشده‌اند.

اما برای دست‌یابی به این هدف، گودا و همکارانش باید در اولین مرحله کیفیت تصاویر را بهبود بخشند. کیفیت فعلی این روش هزار بار کمتر از کیفیت تصویر دوربین اغلب گوشی‌های همراه است. در مرحله بعد، این گروه قصد دارد به جای لیزر فروسرخ از طول‌موج‌های کوتاه‌تر و نزدیک به نور مریی استفاده کند تا تصاویری نزدیک‌تر به آن‌چه چشم انسان می‌بیند، بدست آورند.

مقاله کامل گودا، چیا و جلالی را می‌توانید از اینجا دانلود کنید.