Die schnellste Kamera der Welt

Hochgeschwindigkeitskamera macht 6 Millionen Bilder in der Sekunde

Ihre Auflösung lässt zu wünschen übrig, die Geschwindigkeit hingegen nicht: Wissenschaftler in den USA haben mit handelsüblicher Technik eine Hochgeschwindigkeitskamera entwickelt, die bisherige Konkurrenten weit hinter sich lässt.

Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) unter der Leitung von Bahram Jalali hat eine neue Hochgeschwindigkeitskamera entwickelt. Sie soll Ereignisse wie Stoßwellen oder die Kommunikation zwischen Nervenzellen aufnehmen. Dafür bedarf es extrem kurzer Belichtungszeiten.

Die erreicht die neu entwickelte Kamera: Ihre Verschlusszeit beträgt 450 Pikosekunden - das ist eine knappe halbe Milliardstel Sekunde. Entsprechend ist die Bildausbeute: Über 6 Millionen Bilder schafft die Kamera in der Sekunde. Das bedeutet, sie macht alle 163 Nanosekunden ein Bild. Als Lichtquelle dient ein Laserpuls, der das aufgenommene Objekt für eine Milliardstel Sekunde anstrahlt.

Serial Time-Encoded Amplified Microscopy (STEAM) heißt das System. Es schafft solche extremen Leistungen, indem es zweidimensionale Bilder in einen Strom aus Licht verwandelt. Dazu wird das Licht horizontal und vertikal aufgefächert, so dass es in die Spektralfarben zerlegt wird. Fällt das gefächerte Laserlicht auf das abzubildende Objekt, wird jedes seiner Teile mit Licht in einer anderen Wellenlänge angeleuchtet. Wenn das Licht von dem Objekt zurückgeworfen wird, enthält jede reflektierte Farbe eine Information über einen bestimmten Teil des Objektes.

Das reflektierte Licht fällt in eine spezielle Glasfaser, in der sich das Licht je nach Wellenlänge mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt. Rotes Licht beispielsweise ist schneller als blaues. Der Lichtstrom wird verstärkt und dann von einem optischen Sensor aufgefangen. Der zeichnet auf, wann welche Farbe eintrifft. Daraus wird dann ein Bild des aufgenommenen Objekts rekonstruiert.

Ständig im Einsatz

Die Kamera sei die schnellste ständig laufende Kamera der Welt, erzählt Keisuke Goda. Sie ist sechsmal schneller als die derzeit leistungsfähigsten Hochgeschwindigkeitskameras, die in der Sekunde 1 Million Bilder machen. Der Vorteil des neuen Systems ist, dass die Wissenschaftler keine neue Technik entwickeln mussten, sondern auf bereits vorhandene Geräte zurückgreifen konnten.

Die Auflösung von Steam liegt deutlich unter dem, was herkömmliche Kameras leisten: 2.500 Pixel schafft die Kamera. Hier wollen die Wissenschaftler noch Verbesserungen erzielen. Auch die Geschwindigkeit wollen sie noch erhöhen. Geplant ist, die Bildrate von derzeit 6,1 auf 100 Millionen Aufnahmen pro Sekunde zu erhöhen.

Es gibt zwar Kameras mit noch kürzeren Belichtungszeiten. Doch anders als die Steamkamera können diese nicht kontinuierlich Bilder machen. Das kann Steam und eignet sich deshalb dazu, Ereignisse im Bild festzuhalten, die nicht planbar sind oder die nicht ausgelöst werden können. "Zu den anspruchsvollsten Anwendungen für Hochgeschwindigkeitskameras gehören sehr seltene oder abnorme Ereignisse oder die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen - mit anderen Worten ungewöhnliche Ereignisse, die aber wichtige Informationen liefern", erklärt Projektleiter Jalali.

Eine mögliche Anwendung ist etwa die Durchflusscytometrie, die für Blutanalyse verwandt wird. Bisher ist es nur möglich, Blutzellen zu zählen und Informationen über ihre Größe zu gewinnen. Weil Kameras fehlen, die leistungsfähig genug sind, ist es jedoch nicht möglich, Bilder der Zellen zu machen. Könnte man die Zellen fotografieren, wäre es möglich, Tumorzellen, die für die Bildung von Metastasen verantwortlich sind, im Blut zu erkennen, sagt Jalali. Von diesen Zellen gibt es nur einige wenige unter Millionen von gesunden Zellen. Die Chance, eine dieser Zellen zufällig in einer Blutprobe unter dem Mikroskop zu entdecken, sei praktisch null. Beobachte man das Blut mit der Steamkamera, könnte es möglich sein, die seltenen schädlichen Zellen zu finden.

Die Wissenschaftler haben ihr System in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature vorgestellt.