يدفع حدود التصوير البصري إلى الوراء من خلال معالجة تريليونات الإطارات في الثانية

إن الدفع بسرعات عالية لا يقتصر على الرياضيين فقط. ويمكن للباحثين أيضًا تحقيق مثل هذه الإنجازات من خلال اختراعاتهم. هذا هو الحال بالنسبة لأستاذ المعهد الوطني للبحث العلمي (INRS) جينيانج ليانج وفريقه. نتائج البحث صدر مؤخرا التواصل الطبيعي.

قام فريق من مركز أبحاث الاتصالات السلكية واللاسلكية Énergie Matériaux التابع لـ INRS بتطوير نظام كاميرا جديد عالي السرعة يمكنه التقاط ما يصل إلى 156.3 تريليون إطار في الثانية بدقة مذهلة. ولأول مرة، أصبح التصوير البصري ثنائي الأبعاد لإزالة المغناطيسية فائق السرعة ممكنًا في لقطة واحدة.

هذا الجهاز الجديد، المسمى SCARF (للتصوير الفيمتوفوتوغرافي في الوقت الحقيقي بفتحة مرمزة)، يمكنه التقاط الامتصاص العابر في أشباه الموصلات وإزالة المغناطيسية بسرعة فائقة لسبائك معدنية. ستساعد هذه الطريقة الجديدة في دفع حدود المعرفة إلى الأمام في مختلف المجالات بما في ذلك الفيزياء الحديثة والأحياء والكيمياء وعلوم المواد والهندسة.

البناء على التطورات الماضية

يُعرف البروفيسور ليانغ في جميع أنحاء العالم بأنه رائد في مجال التصوير فائق السرعة. وفي عام 2018، عمل كمطور رئيسي لإنجاز كبير في هذا المجال والذي وضع الأساس لتطوير SCARF.

حتى الآن، استخدمت أنظمة الكاميرا فائقة السرعة بشكل أساسي نهج الإطار تلو الإطار. إنهم يحصلون على البيانات من خلال قياسات مختصرة ومتكررة ثم يجمعون كل شيء معًا لإنشاء فيلم يعيد بناء الحركة المرصودة.

“ومع ذلك، لا يمكن استخدام هذا النهج إلا للعينات السلبية أو الأحداث التي تحدث بنفس الطريقة في كل مرة. ولا يمكن ملاحظة العينات الضعيفة، ناهيك عن الأحداث غير المتكررة أو الأحداث ذات السرعات العالية للغاية، بهذه الطريقة.”

“على سبيل المثال، لا يمكن دراسة ظواهر مثل الاستئصال بالليزر الفيمتو ثانية، وتفاعل موجة الصدمة مع الخلايا، والفوضى البصرية بهذه الطريقة”، يشرح ليانغ.

الأداة الأولى التي طورها البروفيسور ليانغ ساعدت في سد هذه الفجوة. يعتمد نظام T-CUP (التصوير الفوتوغرافي المضغوط فائق السرعة بتريليون إطار في الثانية) على التصوير السلبي بالفيمتو ثانية القادر على تحقيق عشرة تريليونات (10) عمليات استحواذ.¹³) لقطة في الثانية. هذه خطوة أولى مهمة نحو التصوير فائق السرعة في الوقت الفعلي.

لكن التحديات ظلت قائمة.

يتابع ليانغ: “يجب أن تتعامل العديد من الأنظمة المعتمدة على التصوير الفوتوغرافي المضغوط فائق السرعة مع ضعف جودة البيانات والمقايضة بعمق مجال الرؤية المتسلسل. وتعزى هذه القيود إلى مبدأ التشغيل، الذي يتطلب مشهدًا متزامنًا وقطع فتحة مشفرة”.

وشاح يتغلب على هذه التحديات. تتيح طريقة التصوير الخاصة بها مسحًا عالي السرعة لفتحة مشفرة ثابتة دون قص الحدث فائق السرعة. يوفر معدلات ترميز كاملة الخط تصل إلى 156.3 هرتز للبكسلات الفردية في الكاميرا المزودة بجهاز مقترن بالشحن (CCD). يمكن الحصول على هذه النتائج في لقطة واحدة باستخدام وضعي الانعكاس والإرسال بمعدلات إطارات قابلة للضبط ومقاييس مكانية.

مجموعة من التطبيقات

يتيح SCARF مراقبة الظواهر المنفصلة عالية السرعة وغير القابلة للتكرار أو التي يصعب إعادة إنتاجها، مثل ديناميكيات موجة الصدمة في الخلايا الحية أو المادة. ويمكن استخدام هذه التطورات لتطوير أدوية وعلاجات طبية أفضل.

علاوة على ذلك، يعد SCARF بفوائد اقتصادية جذابة للغاية. تعمل شركتان، Axis Photonique وFew-Cycle، بالفعل مع فريق البروفيسور ليانغ لإنتاج نسخة قابلة للتسويق من اختراعهم الذي ينتظر الحصول على براءة اختراع. هذه فرصة ممتازة لكيبيك لتعزيز مكانتها التي تحسد عليها بالفعل كشركة رائدة في مجال الضوئيات.

البروفيسور فرانسوا ليغاري، مدير مركز أبحاث الاتصالات السلكية واللاسلكية Énergie Matériaux، والزملاء الدوليين ميشيل هيهن، وستيفان مانجينين themoutérégoitni themouteri، غريغوتني، 2018، 2017 لورين (فرنسا) وزينجيان لي من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا (الصين).