Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode d'imagerie qui peut capturer des images à des vitesses allant jusqu'à 1,5 million d'images par seconde à l'aide de capteurs d'imagerie standard généralement limités à 100 images par seconde. Cette nouvelle technologie permettra de capturer des événements extrêmement rapides pour des applications telles que la recherche biomédicale ou des scènes au ralenti dans un film.

Des chercheurs de l'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) au Canada décrivent leur nouvelle méthode, appelée photographie ultra-rapide à stries optiques compressées (COSUP), dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique . Ils montrent la puissance de COSUP en l'utilisant pour capturer la transmission d'une seule impulsion laser d'une largeur de seulement 10 microsecondes.

"COSUP a un large éventail d'applications potentielles car il peut être intégré dans de nombreux instruments d'imagerie allant des microscopes aux télescopes, " a expliqué Jinyang Liang, maître de conférences à l'INRS et auteur correspondant de l'article. "L'utilisation de différentes caméras CCD et CMOS avec COSUP permet également d'utiliser la méthode pour une large gamme de longueurs d'onde et pour acquérir diverses caractéristiques optiques telles que la polarisation."

Les chercheurs disent que le système COSUP pourrait également être utile à l'industrie du cinéma et à la vidéographie sportive, où des caméras à grande vitesse sont utilisées pour capturer des détails, mouvements rapides pour une lecture au ralenti. Ils travaillent également à miniaturiser le système pour permettre une capture vidéo au ralenti de haute qualité avec un smartphone.

Imagerie plus rapide

Bien que les caméras d'aujourd'hui soient très sensibles et puissent être utilisées avec une large gamme de longueurs d'onde, leur vitesse est généralement limitée à cause du capteur d'imagerie. Les caméras haute vitesse spécialisées sont livrées avec des compromis limitants tels que l'enregistrement de quelques images seulement à des vitesses élevées, imagerie unidimensionnelle, basse résolution, ou une configuration encombrante et coûteuse. Les chercheurs ont développé COSUP pour contourner ces défis en combinant une approche informatique appelée détection compressée avec une méthode d'imagerie appelée imagerie optique par stries.

"COSUP a des spécifications similaires à celles des caméras haute vitesse existantes avec une vitesse d'imagerie réglable de dizaines de milliers d'images par seconde à 1,5 million d'images par seconde, ", a déclaré Liang. "Nous avons utilisé des composants standard pour créer un système très économique."

Pour effectuer le COSUP, la détection compressée est utilisée pour coder spatialement chaque trame temporelle d'une scène à l'aide d'un dispositif numérique à micromiroir, ou DMD. Ce processus étiquette le temps de capture de chaque image un peu comme un code-barres unique. Ensuite, un scanner est utilisé pour effectuer un cisaillement temporel, créer une image de strie optique - une image linéaire à partir de laquelle les propriétés temporelles de la lumière peuvent être déduites - qui est capturée avec un appareil photo traditionnel en une seule prise.

« Même si l'image de la séquence contient un mélange d'informations spatiales et temporelles en 2D, nous pouvons séparer les données en utilisant la reconstruction en raison des étiquettes uniques attachées à chaque cadre temporel, " dit Xianglei Liu, doctorant à l'INRS et auteur principal de l'article. "Cela donne à COSUP un champ de vision d'imagerie 2-D qui peut enregistrer des centaines d'images dans chaque film à 1,5 million d'images par seconde et une résolution de 500 × 1000 pixels."

Capturer une seule impulsion laser

Les chercheurs ont démontré le COSUP en imageant deux événements de courte durée avec une caméra CMOS. Dans la première expérience, ils ont tiré quatre impulsions laser, chacun avec une largeur d'impulsion de 300 microsecondes, à travers un masque avec les lettres USAF. En utilisant COSUP avec une vitesse d'imagerie de 60, 000 images par seconde, ils ont pu enregistrer cet événement avec 240 images. En augmentant la vitesse d'imagerie à 1,5 million d'images par seconde, ils ont enregistré une seule impulsion laser de 10 microsecondes transmise à travers le masque de l'USAF.

Dans la deuxième expérience, les chercheurs ont tracé la position d'un motif de balle se déplaçant rapidement. En utilisant COSUP à une vitesse d'imagerie de 140, 000 images par seconde, ils ont enregistré la position spatiale et la forme du motif de la balle au fil du temps. Ils ont également mesuré le centroïde de la balle dans chaque cadre temporel et l'ont comparé à l'emplacement connu, qui a montré que le COSUP pouvait tracer avec précision la position de la balle.

Les chercheurs prévoient d'utiliser un système COSUP pour mesurer les durées de vie de phosphorescence de nanoparticules individuelles, qui pourrait être utilisé pour créer un nanothermomètre optique qui faciliterait un traitement médical à base de lumière connu sous le nom de thérapie photodynamique.

Ils travaillent également sur l'utilisation du COSUP pour améliorer l'imagerie de la tension membranaire des neurones, qui peut aider à révéler les mécanismes cellulaires sous-jacents aux fonctions cérébrales. Ce type d'imagerie est difficile car le processus est transitoire et non répétable et les indicateurs utilisés produisent peu de lumière. "L'utilisation de COSUP avec des caméras très sensibles telles qu'un CCD multiplicateur d'électrons permettrait le temps réel, imagerie rapide requise pour cette application, " dit Liang.

Les chercheurs travaillent également à rendre le système de paillasse suffisamment compact pour être utilisé à l'extérieur et éventuellement pour être intégré dans les smartphones. Ils ont initié une collaboration industrielle avec Axis Photonique pour développer davantage COSUP vers un produit commercial.