Der Welt schnellste Kamera

Kalifornische Forscher haben den Prototypen einer Kamera entwickelt, die sechs Millionen Aufnahmen pro Sekunde schafft - das ist rund sechsmal schneller, als die schnellsten Kameras bislang. Verbesserungsbedarf besteht noch hinsichtlich der Auflösung und des Objektfeldes:

Gar 200.000 mal schneller als handelsübliche Digitalkameras ist damit der Prototyp einer Kamera, den Forscher der University of California in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature präsentieren. Das als STEAM (Serial Time Encoded Optical Microscopy) bezeichnete System kann bei einer Belichtungszeit von einer halben Milliardstel Sekunde Strukturen auflösen, die nur wenige Tausendstel Millimeter groß sind. Möglich wird die schnelle Abbildung durch die Beleuchtung des Objekts mit einem aufgefächerten Laserstrahl sowie einer Verstärkungstechnik, die mit einem einzigen Bildpunkt bei der Aufnahme auskommt. Das Objektfeld der Kamera beträgt bisher zwar nur knapp einen halben Millimeter Breite, für die Erforschung schnell ablaufender Prozesse im Mikrobereich stellt die Kamera laut seinem Entwickler Bahram Jalali jedoch einen großen Fortschritt dar.

Als einzige notwendige Lichtquelle beleuchtet die STEAM-Kamera ihr Objekt mit einem Infrarot-Laserstrahl, der horizontal und vertikal aufgefächert wird. An jedem Punkt des Objekts, auf den das Licht auftrifft, besitzt es dadurch eine andere Wellenlänge. Der Lichtimpuls wird vom Objekt zurückgeworfen und gelangt gebündelt in eine Glasfaser, in der er sich je nach Farbe unterschiedlich schnell bewegt. Dabei wird das Licht so stark gedehnt, dass statt einer hohen Anzahl träger Bildpunkte eine einzige schnelle Photodiode genügt, um das Abbild schnell zu rekonstruieren.
 

 
Der Schlüssel für die Funktionstüchtigkeit liegt vor allem in der Verwendung spezieller Fasern. Zunächst kommt eine Erbium-dotierte Faser zum Einsatz, die das reflektierte Licht durch einen Pumplaser auf das Zehnfache verstärkt. Darauf folgt eine Faser, die die Dispersion kompensiert und dabei nicht nur den Puls dehnt, sondern auch die inelastische Streuung des Lichts um den Faktor 316 verstärkt. Diese Technik, die in Summe rein optisch eine Gesamtverstärkung von 25 Dezibel bewirkt, kommt laut Angaben der Forscher ohne aufwändige Elektronik sowie ohne extrem starke Belichtungen aus.

Bisher gelang mit dem Gerät die Aufnahme von Mikropartikeln, die durch haardünne Hohlfasern rasten, sowie die Dokumentation des Auftreffens eines Laserpulses auf eine Aluminiumschicht. Die Bilder zeigten, wie sich das Material in den ersten 500 Milliardstelsekunden des Beschusses kaum verändert und dann schlagartig verdampft. Wenn auch dem jetzigen Kamera-Prototyp erst Aufnahmen mit einer Auflösung von 3.000 Pixeln gelingen, arbeiten die Forscher bereits an einem hochauflösenden Modell im Megapixel-Bereich.

Ultraschnelle optische Bilder in Echtzeit haben ein weites Einsatzgebiet, das von der Erforschung von Schockwellen, chemischer Prozesse in lebenden Zellen und der Nervenaktivität bis hin zu Laseroperationen und zur Handhabung von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum wie etwa die Treibstoffeinspritzung reicht. Handelsübliche optische CCD-Sensoren schaffen es nicht, schnelle Prozesse mit der notwendigen Auflösung und Empfindlichkeit abzubilden. Ihre größten Hindernisse dafür sind die zeitaufwändige Datenauslese der Sensorstrahlen und die geringe Photonenzahl pro Bild bei schnellen Bildraten.

(pte / Johannes Pernsteiner)