Исследователи осуществили очень успешную адаптацию метода сжатой сверхбыстрой фотографии для работы в ультрафиолетовом спектре. В дополнение к этому, был разработан значительно усовершенствованный алгоритм обработки изображений, демонстрирующий свою высокую эффективность восстановления. Объединение этих достижений позволило ученым фиксировать редкие и единичные события со скоростью 300 триллионов кадров в секунду. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser & Photonics Reviews. Метод сжатой сверхбыстрой фотографии был впервые представлен в 2014 году группой ученых из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Тогда была создана сверхбыстрая камера, способная делать до ста миллионов снимков в секунду. За прошедшие шесть лет подобные камеры претерпели значительное развитие как в плане аппаратной части, так и в области алгоритмов обработки изображений.
Yingming Lai et al. / Laser & Photonics Reviews
Важно отметить, что информация, получаемая с камеры напрямую, требует дополнительной обработки для формирования окончательного изображения. Следовательно, скорость метода и качество полученных результатов зависят не только от характеристик камеры, но и от эффективности используемого алгоритма.
Несмотря на появление множества новых высокоскоростных камер, их возможности оставались ограниченными видимым и инфракрасным диапазоном электромагнитного спектра. Данное исследование представляет собой прорыв в области сверхбыстрой фотографии, поскольку впервые позволило регистрировать события в ультрафиолетовом диапазоне.
Снимки в УФ диапазоне нужны, например, для исследования образования дефектов в кристаллах, генерации УФ-импульсов в результате четырехволнового смешения или для визуализации протекания химико-биологических реакций. Кроме того, использование цифрового микрозеркального устройства (DMD) для генераций изображений накладывает ограничения на скорость работы устройства.
(a) Схема установки, (b) вид сбоку фотокатода, который преобразовывает свет в фотоэлектроны, (c) пример кодирующей маски. Yingming Lai et al. / Laser & Photonics Reviews
Сравнение трех алгоритмов для восстановления изображения. Yingming Lai et al. / Laser & Photonics Reviews
Помимо новой схемы, авторы использовали новый алгоритм обработки после регистрации сигнала камерой. Он позволяет разделить общую оптимизацию на несколько вторичных задач, которые решает с высокой точностью и работает для зашумленных входных данных. Физики сравнили возможности разработанного алгоритма с тем, что удается получить современными алгоритмами (на рисунке TwIST — стандартный алгоритм, PnP-ADMM — разработанный).
(a) установка для регистрации изображений в УФ диапазоне, (b) кадр, полученный пространственным преобразованием УФ импульса в буквы “INRS” и (c) сравнение интенсивности импульса и полученных букв в разрезе по синей пунктирной линии. (d), (e) то же самое для букв “AXIS”. Yingming Lai et al. / Laser & Photonics Reviews
Ученые использовали фемтосекундный лазер для всех экспериментов и показали, что камера позволяет разрешать импульсы, расстояние между которыми всего 30 пикосекунд. Вместе с высокими пространственным разрешением и скоростью работы, этот результат говорит о том, что УФ камера может найти множество применений в фундаментальной или прикладной областях науки. А разработанный алгоритм обработки можно использовать для других типов скоростных камер.
Ранее эта же группа ученых смогла заснять движение лазерного импульса со скоростью 10 триллионов в секунду. А американские физики сняли движение световой «ударной волны» на 100 миллиардах кадров в секунду.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
