Die ultimative Zeitlupenkamera: Lichtbewegung sehen

Vergesst die Zeitlupenaufnahmen von Gewehrkugeln die Äpfel durchschlagen und ähnliches: unglaubliche 1 Billion (1.000.000.000.000) Bilder pro Sekunde schafft die am MIT entwickelte Zeitlupenkamera. Sie ist damit so schnell, daß sie die Ausbreitung von Licht (das sich mit einer Geschwindigkeit von 299.792.458 Metern pro Sekunde bewegt) zeigen kann.

Die Kamera funktioniert nach dem Prinzip der sogenannten Streak-Kamera, welche durch einen schmalen Schlitz Licht aufnimmt, dessen Photonen durch ein elektrisches Feld so abgelenkt werden, dass später eintreffende weiter gestreut werden. Es entsteht ein zweidimensionales Bild, dessen eine Achse die Position eines Photons relativ zu dem Schlitz abbildet und eine Zeile des Gesamtbildes darstellt. Die andere Achse stellt den Zeitpunkt des Eintreffens (jede Linie wird für nur 1.71 Picosekunden, also 0,000.000.000.001.7s belichtet) dar.

Um eine Reihe solcher aufeinander folgender Momente aufzunehmen, wird mit 480 Sensoren gearbeitet, die nacheinander jeweils einen kleinen Zeitabschnitt erfassen, da ein einzelner Sensor nicht schnell genug ausgelesen werden könnte, um eine kontinuierliche Bildfolge zu erzeugen. Dadurch entsteht dann eine ganze zeitliche Bildsequenz von 480 Bildern (mit einer Dauer von ungefähr einer Nanosekunde) dieser einen Zeile des Bildes.

Da aber jedes dieser Bilder nicht nur einen winzigen Zeitraum darstellt, sondern auch nur einen kleinen räumlichen Ausschnitt (ganz wie bei analogen Monitoren wird nur eine Zeile jeweils abgebildet) wird der Vorgang der Aufnahme einer Zeile mittels eines das Licht umlenkenden Spiegels und einer immer wiederkehrenden exakt gleichen Belichtung per Laser öfters wiederholt: um ein Gesamtbild einer Szene aufzunehmen braucht es etwa 1 Stunde - der Forscher Dr. Raskar nennt die Kamera deswegen auch die "langsamste schnellste Kamera der Welt". Die Kamera kann also nur exakt so wiederholbare Ereignisse einfangen und keine Echtzeit-Zeitlupenaufnahmen machen, aber sie ist auch so extrem beeindruckend.

Licht, das durch verschiedene Objekte reflektiert und refraktiert wird:

Was sie aber zeigen kann ist erstaunlich und war bisher nur in Lichtsimulationen sichtbar: die Zeitlupen-Videos zeigen den Wege, den das Licht (ein extrem kurzer Laserlichtimpuls, damit genau verfolgt werden kann, welchen Weg dieses Licht nimmt, ohne daß ständig weiter einfallendes Licht das erste überstrahlt) nimmt, das auf Objekte einer Szene trift. Man kann tatsächlich sehen, wo das Licht reflektiert und refraktiert wird und wie dadurch weitere sekundäre Lichtquellen innerhalb der Szene in Folge entstehen, welche die Objekte neu beleuchten. Man kann wahrhaftig zum ersten Mal das Licht reisen sehen.

Licht auf dem Weg durch eine Flasche:

Als praktische Einsatzgebiete nennen die Forscher die Analyse chemischer Prozesse sowie die Möglichkeit anhand der Aufnahme der Refraktion durch Materie normales Licht wie Ultraschall einzusetzen - oder um bisher theoretische Lichtsimulationen zu per Experminet nachzuprüfen. Aber vor allem: etwas bisher unsichtbares sichtbar zu machen und die Grenzen der Wahrnehmung zu erweitern.

mehr Infos bei
web.mit.edu

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