Eine Hochgeschwindigkeitskamera kann alle möglichen beeindruckenden Leistungen vollbringen, wie zum Beispiel Ultra-Zeitlupen-Actionfotografie im Sport oder Film. Eine Sache, die Sie nicht allzu oft sehen? Eine ultraschnelle Kamera, die so schnell ist, wie sie kann eigentlich Licht aufzeichnen zwischen Spiegeln hüpfen. Genau das ist es Edoardo Charbon an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne haben sie jedoch kürzlich demonstriert – mit einer Kamera, die unglaubliche 24.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann.
Die Forscher nutzten die MegaX-Kamera, einem Einzelphotonen-Lawinendioden-Bildsensor, zum Filmen ihres High-Tech-Bounce-Spiegel-Setups im Rube-Goldberg-Stil. Die Hardware für die Demonstration wurde von Charbons Schüler Kazuhiro Morimoto mit Beiträgen der Forscher Andrei Ardelean und Arin Ulku entworfen.
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„Die Kamera arbeitet im Gate-Modus, was bedeutet, dass ein sehr schneller elektronischer Verschluss von 3,8 Nanosekunden verwendet wird, um das sich ausbreitende Licht einzufangen“, sagte Charbon gegenüber Digital Trends. „Es werden nachfolgende Laserpulse verwendet, die den Verschluss mit zunehmender Verzögerung öffnen, um der Ausbreitung entlang seines Pfades zu folgen. Dank der großen Pixelanzahl und des schnellen Verschlusses kann man die Lichtausbreitung im Inneren sehen mehrere Aufnahmen machen, ohne die Kamera zu bewegen und ohne die Bilder mit Bildern zu überlagern, die mit anderen aufgenommen wurden Kameras. Alles wird auf MegaX erledigt.“
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Es geht jedoch nicht nur darum, eine superschnelle Kamera aufzustellen, auf Aufnahme zu drücken und dann ein Licht auszustrahlen. Da Licht im Flug normalerweise nicht sichtbar ist, mussten sich die Forscher auf die Photonen eines Laserpulses konzentrieren, die an Partikeln in der Luft gestreut werden. Mithilfe des Wissens über die Flugbahn des Impulses und der Zeit, die die Impulse brauchten, um die Kamera zu erreichen, nutzte das Team Algorithmen für maschinelles Lernen, um den 3D-Lichtweg zu zeichnen.
Charbon sagte, dass der Hauptfortschritt der Arbeit darin bestehe, die „Fähigkeit zu demonstrieren, die Position der Lichtimpulse in 3D zu rekonstruieren – plus Zeit, [entspricht] 4D – unter Verwendung maschineller Lerntechniken und der Demonstration unterschiedlicher scheinbarer Lichtgeschwindigkeiten abhängig von der Position des Beobachter."
Er wies darauf hin, dass dies auch einige nützliche Anwendungen in der realen Welt haben könnte. Zu erwarten ist, dass eine der großen Herausforderungen wissenschaftliche Anwendungen in Bereichen wie der Hochenergiephysik sein werden, wo eine schnelle Bilderkennung wichtig ist. Es könnte aber auch für Dinge wie Augmented und Virtual Reality zur genauen Rekonstruktion von Umgebungen verwendet werden, so wie reflektiertes Lidar selbstfahrenden Autos dabei hilft, die Welt wahrzunehmen. „Auch industrielle Anwendungen und die Robotik, die eine schnelle und genaue 4D-Vision erfordern, könnten von dieser Kamera profitieren“, sagte Charbon.
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