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1 Billion Bilder pro Sekunde: Zeitlupenkamera macht Ausbreitung von Licht sichtbar

Forscher am MIT haben eine Kamera entwickelt, die 1 Billion Bilder pro Sekunde aufnimmt. Das reicht aus, um eine Zeitlupenaufnahme zu erzeugen, auf der erkennbar ist, wie sich Licht ausbreitet.

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Trillion Frames Camera erstellt Zeitlupenaufnahmen mit 1 Billion Bildern pro Sekunde.
Trillion Frames Camera erstellt Zeitlupenaufnahmen mit 1 Billion Bildern pro Sekunde. (Bild: MIT/Ramesh Raskar)

Die am Media Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte "ultimative Zeitlupenkamera" ist so schnell, dass sie die Ausbreitung von Licht in Zeitlupe zeigen kann. Das im Englischen als "Trillion Frames Camera" bezeichnete System nimmt dazu rund 1 Billion Bilder pro Sekunde auf.

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Die Forscher machen sich dabei das Prinzip der Streak-Kamera zunutze, bei der Photonen durch einen Spalt in die Kamera gelangen und dort ein elektrisches Feld passieren, das sie senkrecht zum Spalt reflektiert. Da sich das elektrische Feld dabei schnell ändert, leitet es spät eintreffende Photonen stärker ab als früh eintreffende.

So entsteht zwar ein zweidimensionales Bild, aber nur eine Dimension - die dem Spalt entsprechende - ist räumlich. Die andere Dimension hängt vom Grad der Ablenkung ab und erfasst die Zeit. Das Bild zeigt also, in welchem zeitlichen Ablauf die Photonen den eindimensionalen Spalt im Raum passieren.

Entwickelt wurde die Streak-Kamera eigentlich für den Einsatz in der chemischen Forschung. Sie ermöglicht es, die Wellenlänge einer Probe zu bestimmen und aufzuzeigen, wie sich das von einer Probe emittierte Licht im Zeitverlauf ändert. Dabei spielt es keine Rolle, dass die Kamera nur eine räumliche Dimension aufnimmt.

Den MIT-Forscher Andreas Velten, Ramesh Raskar und Moungi Bawendi ist es aber gelungen, mit einer solchen Kamera zwei räumliche Dimensionen zu erfassen, so dass ein extremer Zeitlupeneffekt entsteht. Dazu führen sie die gleiche Aufnahme wiederholt durch und positionieren dabei die Kamera mit Hilfe eines sich drehenden Spiegels jeweils neu, um zeilenweise ein zweidimensionales Bild zu erfassen. Sie nennen dies "Femto-Fotografie".

Damit die Belichtung aller Aufnahmen identisch ist und aus den Einzelaufnahmen ein Zeitlupenvideo zusammengesetzt werden kann, mussten Kamera und der den Lichtpuls erzeugende Laser genau aufeinander abgestimmt werden. Dazu bedarf es hochwertiger optischer Geräte und sehr guter mechanischer Kontrolle.

Rund eine Stunde dauert eine Aufnahme, die zeigt, wie Licht innerhalb einer Nanosekunde durch eine Flasche wandert. Sie besteht aus 480 Einzelbildern, jedes Bild erfasst etwa 1,71 Picosekunden. MIT-Professor Raskar spricht daher von der "weltweit langsamsten schnellsten Kamera".

Am Ende einer solchen Aufnahme stehen Hunderttausende von Datensätzen, die jeweils eine Datenreihe mit den Positionen der Photonen im Zeitablauf enthalten. Raskar und Velten haben zusammen mit Kollegen einen Algorithmus entwickelt, der diese Daten zu zweidimensionalen Videosequenzen zusammensetzt. Allerdings ist es mit diesem Verfahren nur möglich, Aufnahmen von Dingen zu machen, die sich nicht bewegen.

Die für solche Aufnahmen notwendige Hardware ist derzeit noch sehr teuer: Die Streak-Kamera und der verwendete Laser kosten rund 250.000 US-Dollar.

Raskar sieht Einsatzmöglichkeiten für das System auf verschiedenen Gebieten. So könnte sie als eine Art Ultraschall mit Licht und für die Erforschung von Materialeigenschaften eingesetzt werden. Zudem könnte die Technik die notwendigen Analysen liefern, um bessere Blitzgeräte für Fotoapparate zu entwickeln. Raskar nennt es einen ultimativen Traum, einen Aufsteckblitz zu entwickeln, der es mit einem Studioblitz mit all seinem Zubehör aufnehmen kann.

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sake23 16. Dez 2011

Der Artikel verkürzt irreführend: Die Photonen werden in Elektronen umgewandelt. Diese...

redwolf 15. Dez 2011

COKA COLA Schleichwerbung FTW

Raumzeitkrümmer 15. Dez 2011

Wenn das Video 10 Sekunden dauert und das bei 25 Bilder pro Sekunde, dann fallen 250...

guenni2012 15. Dez 2011

Danke.

polpo 14. Dez 2011

hi man sollte nicht vergessen das der quantenwirkungsgrad des laser vermutlich nur...


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