یکی از کاربردهای بسیار مهم و ضروری دوربین ها در دنیای امروز مربوط به مسائل علمی پژوهشی و بخصوص امور پزشکی می باشد. چون بسیاری از آزمایش ها و فعل و انفعالات در سرعت های بسیار بالا اتفاق می افتد و برای ضبط و باز مشاهده این دسته از تحقیقات نیازمند دوربین های ضبط سریع با دقت بالا هستیم. دوربین جدید 4.8 میلیون فریم بر ثانیه کم هزینه، تصویربرداری فوق سریع را با استفاده از قطعات پروژکتورها قابل دسترسی می کند. ثبت رویدادهای پرسرعت، مانند سقوط قطرات آب یا فعل و انفعالات مولکولی، معمولاً به دوربینهای فوق سریع که گران قیمت نیز هستند، نیاز دارد. با این حال، با تلاش محققان راه حل مقرون به صرفه تری برای این کار یافت شده است.
تحولی جدید در دوربین های فوق سریع
در مقالهای که اخیراً در مجله علمی Optica منتشر شد، جینیانگ لیانگ از موسسه ملی تحقیقات علمی کانادا، با همکاری دانشگاه کنکوردیا و متا پلتفرمها، از دوربین نقشه برداری با سرعت فوقالعاده در زمان واقعی با دروازه پراش (DRUM) پرده برداری کرد. در این دوربین، سرعت تصویربرداری و وضوح تصویر مانند دوربینهای پرسرعت پرهزینه با هزینه ای بسیار کمتر است و رویدادهای پویا را در یک نوردهی خوب با سرعت 4.8 میلیون فریم بر ثانیه ثبت میکند. تیم لیانگ این کار را با تصویربرداری از پالس های لیزری در فمتوثانیه – که یک کوادریلیوم (یک میلیونم یک میلیاردم) ثانیه است – در تعامل با مایعات و نمونه های بیولوژیکی که تحت فرسایش لیزری قرار می گیرند، انجام داده است.
به گفته لیانگ، عکاسی DRUM فناوریهای زیستپزشکی و اتوماسیون مانند LiDAR را ارتقا میدهد. طبق گزارش ارائه شده توسط Phys.org ، مقرون به صرفه بودن و سرعت دوربین DRUM ناشی از تکنیک جدیدی به نام پراش نوری متغیر با زمان است. دوربینهای سنتی از گیتهایی برای کنترل قرار گرفتن در معرض حسگر نور، مشابه شاتر استفاده میکنند. در گیت زمان، گیت به سرعت باز و بسته می شود قبل از اینکه سنسور داده ها را بخواند و فیلمی با سرعت بالا ایجاد می کند.
لیانگ و تیمش از دوگانگی فضا-زمانِ نور استفاده کردند و روشی را برای دستیابی به دروازه زمانی با استفاده از پراش نور ابداع کردند. با تغییر سریع زاویه شیب یک توری پراش، که کپی های متعددی از نور فرودی را تولید می کند که در جهات مختلف حرکت می کند، می توان فریم ها را در مقاطع زمانی مختلف از یک دریچه رد کرده و آنها را در یک فیلم فوق سریع جمع کرد.
مهمتر از همه، آنها این کار را با استفاده از یک دستگاه میکروآینه دیجیتال، که معمولا در پروژکتورها یافت می شود، به روشی غیر متعارف و مقرون به صرفه انجام دادند. دوربین DRUM در هر فیلم کوتاه هفت فریم می گیرد. آزمایشها برهمکنشهای لیزر با آب مقطر را ثبت کردند و تکامل کانال پلاسما و تشکیل حباب را در پاسخ به لیزر پالسی نشان دادند. همچنین پویایی حباب در یک نوشیدنی گازدار و برهمکنش بین یک پالس لیزری فوق کوتاه و یک نمونه سلول پیاز تک لایه را نیز به ثبت رسانده اند. عکاسی DRUM برای جراحیهای نانو و خدمات پزشکی مبتنی بر لیزر توسعه می یابد. هدف محققان بهبود عکاسی DRUM با افزایش سرعت تصویربرداری و عمق توالی، کاوش در ضبط رنگ و استفاده از آن در سیستمهای پیشرفته LiDAR و موارد مشابه دیگری نیز می باشد.
عکاسی با سرعت بالا (High Speed Photography) یکی از روشهای جذاب ثبت تصویر برای رویدادهایی است که اغلب نمیتوانیم با چشم غیر مسلح آنها را ببینیم. در این نوع از تصویربرداری، شما لحظاتی را به ثبت میرسانید که در کسری از ثانیه اتفاق افتادهاند، مانند ترکیدن یک بادکنک یا برخورد دو قطره آب در حالات مختلف.
با سلام این نوع عکاسی با انواع دیگر بسیار متفاوت است، چراکه شما به دوربینهای بسیار حرفهای و گرانقیمتی نیاز دارید که توان ثبت بالغ بر ۲۰ هزار تصویر بر ثانیه را داشته باشند. چنین چیزی برای دوربینهای DSLR موجود در بازار تقریباً ناممکن است.
موفقیت کلیدی پژوهشگران که منجر به چنین دستاوردی شده، روشی به نام دریچه زمانی است که به عنوان پراش نوری متغیر با زمان شناخته میشود. در این تکنیک زمان رسیدن نور به سنسور با باز و بسته شدن سریع یک دریچه پیش از ثبت تصویر، کنترل میشود.
کاربردهای سیستم دوربین DRUM بسیار گسترده است، از جمله نظارت بر تحویل دارو در لحظه یا تشخیص خطر برای خودروهای بدون سرنشین با استفاده از سیستمهای Lida با سرعت بالا. علاوه بر این، پژوهشگران مدعی شدهاند که چنین سیستمی میتواند پتانسیل استفاده در صنایع مختلف از جمله زیست پزشکی، فناوریهای ایجاد اتوماسیون، جراحی در اندازه نانو و مواردی از این دست را داشته باشد.