« Notre caméra utilise une toute nouvelle méthode pour obtenir une imagerie à grande vitesse », a déclaré Jinyang Liang de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) au Canada. « Elle a une vitesse d’imagerie et une résolution spatiale similaires à celles des caméras commerciales à grande vitesse, mais utilise des composants disponibles dans le commerce qui coûteraient probablement moins d’un dixième des caméras ultrarapides actuelles, qui peuvent commencer à près de 100 000 dollars. »

Dans OPTIQUE, la revue d’Optica Publishing Group pour la recherche à haut impact, Liang, en collaboration avec des collaborateurs de l’Université Concordia au Canada et Meta Platforms Inc., montrent que leur nouvelle caméra de cartographie ultra-rapide en temps réel (DRUM) contrôlée par diffraction peut capturer un événement dynamique dans un exposition unique à 4,8 millions d’images par seconde. Ils démontrent cette capacité en imaginant la dynamique rapide des impulsions laser femtoseconde interagissant avec l’ablation liquide et laser dans des échantillons biologiques.

« À long terme, je pense que la photographie DRUM contribuera aux progrès de la biomédecine et des technologies d’automatisation telles que le lidar, où une imagerie plus rapide permettrait une détection plus précise des dangers », a déclaré Liang. « Cependant, le paradigme de la photographie DRUM est assez générique. En théorie, il peut être utilisé avec n’importe quel appareil photo CCD et CMOS sans dégrader leurs autres avantages tels que la haute sensibilité. »

Créer une meilleure caméra ultrarapide

Malgré de nombreux progrès en imagerie ultrarapide, les méthodes actuelles restent coûteuses et complexes à mettre en œuvre. Leurs performances sont également limitées par les compromis entre le nombre d’images capturées dans chaque film et le débit lumineux ou la résolution temporelle. Pour surmonter ces problèmes, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de synchronisation appelée diffraction optique variable dans le temps.

Les caméras utilisent des portes pour contrôler le moment où la lumière atteint le capteur. Par exemple, l’obturateur d’un appareil photo traditionnel est un type de portail qui s’ouvre et se ferme une fois. Dans le cas du time-gating, le portail est ouvert et fermé en succession rapide un certain nombre de fois avant que le capteur ne lise l’image. Cela capture un court film à grande vitesse d’une scène.

En considérant la dualité espace-temps de la lumière, Liang a compris comment réaliser un contrôle temporel en utilisant la diffraction de la lumière. Il s’est rendu compte qu’un changement rapide de l’angle d’inclinaison des facettes périodiques sur un réseau de diffraction, qui peut générer plusieurs répliques de la lumière incidente se déplaçant dans différentes directions, pourrait constituer un moyen de balayer différentes positions spatiales pour filtrer les images à différents moments. Ces images pourraient ensuite être assemblées pour former un film ultrarapide. Transformer cette idée en une caméra fonctionnelle a nécessité une équipe multidisciplinaire réunissant des compétences dans des domaines tels que l’optique physique, l’imagerie ultra-rapide et la conception MEMS.

« Heureusement, il est possible de réaliser ce type de porte de diffraction balayée en utilisant un dispositif à micromiroir numérique (DMD) – un composant optique courant dans les projecteurs – de manière non conventionnelle », a déclaré Liang. « Les DMD sont produits en série et ne nécessitent aucun mouvement mécanique pour produire la porte de diffraction, ce qui rend le système rentable et stable. »

Capturer des dynamiques rapides

L’équipe a créé une caméra DRUM avec une profondeur de séquence de sept images, ce qui signifie qu’elle capture sept images dans chaque court métrage. Après avoir caractérisé les résolutions spatiales et temporelles du système, les chercheurs l’ont utilisé pour enregistrer les interactions laser avec l’eau distillée.

Les images accélérées résultantes ont montré l’évolution d’un canal plasmatique et le développement d’une bulle en réponse à un laser pulsé, les rayons de bulles mesurés correspondant à ceux prédits par la théorie de la cavitation. Ils ont également imagé la dynamique des bulles d’une boisson gazeuse et capturé les interactions transitoires entre une impulsion laser ultracourte et un échantillon de cellules d’oignon monocouche. « La photographie DRUM pourrait même être appliquée aux nanochirurgies et aux applications de nettoyage au laser », a déclaré le premier auteur de l’article, Xianglei Liu, anciennement de l’INRS et maintenant chez Ansys.

Les chercheurs continuent de travailler à l’amélioration des performances de la photographie DRUM, notamment en augmentant la vitesse d’imagerie et la profondeur des séquences. Ils souhaitent également explorer la capture d’informations sur les couleurs et l’application du système à des applications supplémentaires telles que le lidar.