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Capturar imagens sem desfoque de movimentos rápidos, como queda de gotas de água ou interações moleculares, requer câmeras ultrarrápidas caras que adquirem milhões de imagens por segundo. Num novo artigo, os investigadores relatam uma câmara que poderia oferecer uma forma muito menos dispendiosa de obter imagens ultrarrápidas para uma vasta gama de aplicações, tais como monitorização em tempo real da entrega de medicamentos ou sistemas lidar de alta velocidade para condução autónoma.
“Nossa câmera usa um método completamente novo para obter imagens de alta velocidade”, disse Jinyang Liang, do Instituto Nacional de Pesquisa Científica (INRS), no Canadá. “Ela tem velocidade de imagem e resolução espacial semelhantes às câmeras comerciais de alta velocidade, mas usa componentes prontos para uso que provavelmente custariam menos de um décimo das câmeras ultrarrápidas atuais, que podem custar perto de US$ 100 mil.”
Em Óptica, jornal do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto, Liang, juntamente com colaboradores da Concordia University no Canadá e Meta Platforms Inc., mostram que sua nova câmera de mapeamento de ultra-alta velocidade em tempo real (DRUM) controlada por difração pode capturar um evento dinâmico em um exposição única a 4,8 milhões de quadros por segundo. Eles demonstram essa capacidade criando imagens da rápida dinâmica dos pulsos de laser de femtosegundo interagindo com líquido e ablação a laser em amostras biológicas.
“A longo prazo, acredito que a fotografia DRUM contribuirá para os avanços na biomedicina e nas tecnologias que permitem a automação, como o lidar, onde imagens mais rápidas permitiriam uma detecção mais precisa dos perigos”, disse Liang. “No entanto, o paradigma da fotografia DRUM é bastante genérico. Em teoria, pode ser usado com qualquer câmera CCD e CMOS sem degradar suas outras vantagens, como a alta sensibilidade.”
Criando uma câmera ultrarrápida melhor
Apesar do grande progresso na imagem ultrarrápida, os métodos atuais ainda são caros e complexos de implementar. Seu desempenho também é limitado por compensações entre o número de quadros capturados em cada filme e a taxa de transferência de luz ou resolução temporal. Para superar esses problemas, os pesquisadores desenvolveram um novo método de restrição de tempo conhecido como difração óptica variante no tempo.
As câmeras usam portões para controlar quando a luz atinge o sensor. Por exemplo, o obturador de uma câmera tradicional é um tipo de portão que abre e fecha uma vez. No time-gating, o portão é aberto e fechado em rápida sucessão um certo número de vezes antes que o sensor leia a imagem. Isso captura um pequeno filme de alta velocidade de uma cena.
Ao considerar a dualidade espaço-tempo da luz, Liang descobriu como realizar o controle do tempo usando difração de luz. Ele percebeu que mudar rapidamente o ângulo de inclinação das facetas periódicas em uma rede de difração, que pode gerar várias réplicas da luz incidente viajando em diferentes direções, poderia representar uma maneira de varrer diferentes posições espaciais para eliminar quadros em diferentes pontos de tempo. Esses quadros poderiam então ser reunidos para formar um filme ultrarrápido. Transformar essa ideia em uma câmera funcional exigiu uma equipe multidisciplinar que reuniu conhecimentos em áreas como óptica física, imagem de ultra-alta velocidade e design de MEMS.
“Felizmente, é possível realizar este tipo de porta de difração varrida usando um dispositivo de microespelho digital (DMD) – um componente óptico comum em projetores – de uma forma não convencional”, disse Liang. “Os DMDs são produzidos em massa e não requerem movimento mecânico para produzir a porta de difração, tornando o sistema estável e econômico.”
Capturando dinâmicas rápidas
A equipe criou uma câmera DRUM com profundidade de sequência de sete quadros, o que significa que ela captura sete quadros em cada curta-metragem. Depois de caracterizar as resoluções espaciais e temporais do sistema, os pesquisadores o utilizaram para registrar as interações do laser com água destilada.
As imagens de lapso de tempo resultantes mostraram a evolução de um canal de plasma e o desenvolvimento de uma bolha em resposta a um laser pulsado, com os raios medidos da bolha correspondendo aos previstos pela teoria da cavitação. Eles também criaram imagens da dinâmica da bolha de uma bebida carbonatada e capturaram interações transitórias entre um pulso de laser ultracurto e uma amostra de célula de cebola de camada única. “A fotografia DRUM pode até ser aplicada a nanocirurgias e aplicações de limpeza baseadas em laser”, disse o primeiro autor do artigo, Xianglei Liu, ex-INRS e agora na Ansys.
Os pesquisadores continuam trabalhando para melhorar o desempenho da fotografia DRUM, incluindo o aumento da velocidade de imagem e da profundidade da sequência. Eles também desejam explorar a captura de informações de cores e a aplicação do sistema a aplicações adicionais, como lidar.
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