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Hochgeschwindigkeitskamera

Bis zu vier Billionen Bilder pro Sekunde: Japanische Hochgeschwindigkeitskamera. Bild: Motion Picture Femtophotography / Keisuke Goda / Universität of Tokyo

Vier Billionen Bilder pro Sekunde

Diese Kamera ist so schnell, dass sie Atomschwingungen filmt



Wir alle kennen wohl die eindrücklichen Filme, in denen unglaublich schnelle Vorgänge in extremer Zeitlupe zu sehen sind. Wie sich ein Gesicht nach einer kräftigen Ohrfeige verformt oder wie ein Luftballon platzt, zum Beispiel. Solche Aufnahmen werden von Hochgeschwindigkeitskameras gemacht, die zehntausende oder gar Millionen von Bildern pro Sekunde schiessen. 

Geschwindigkeiten dieser Grössenordnung sollten für alle Bedürfnisse genügen, könnte man denken. Doch dem ist nicht so: Manche chemische Reaktionen oder physikalische Vorgänge im Plasma laufen extrem schnell ab. Um sie einzufangen, benötigt man spezielle Aufzeichnungsverfahren. 

Ein japanisches Forscherteam um Keisuke Goda von der University of Tokyo und der Keio University in Kanagawa hat nun einen neuen Weltrekord aufgestellt: Ihr Prototyp einer Hochgeschwindigkeitskamera kann bis zu vier Billionen Aufnahmen in der Sekunde auslösen – das sind nicht weniger als viertausend Milliarden, in Ziffern 4'000'000'000'000. Der alte Rekord, den ein indisches Entwickler-Team aufgestellt hatte (siehe Video unten), lag bei drei Billionen Bildern pro Sekunde. 

Lichtimpulse von einem Titan-Saphir-Laser

Die «Motion Picture Femtophotography», wie die Kamera heisst, nutzt das sogenannte Stamp-Verfahren (Sequentially Timed All-Optical Mapping Photography), wie die Forscher im Wissenschaftsmagazin «Nature» berichten. Dabei gibt ein Titan-Saphir-Laser sehr kurze Infrarot-Lichtimpulse ab – er erreicht eine Geschwindigkeit von einer Milliarde Auslöser pro Sekunde. Mithilfe einer ausgeklügelten Optik, die Spiegel und Glasfasern verwendet, treffen die Lichtimpulse in Zeitabständen von nur gerade 15 Pikosekunden (eine Pikosekunde entspricht einer Billionstelsekunde) nacheinander auf das Objekt. 

Die reflektierten Signale werden dann von einem flächigen Fotosensor aufgenommen. Da aber kein derzeit verfügbarer Fotochip eine derart hohe zeitliche Auflösung schafft, mussten die Wissenschaftler zu einem Trick greifen: Mit einer Spiegeltechnik gelang es ihnen, verschiedene Bereiche des Chips nacheinander zu belichten, so dass jeder Teilimpuls auf einen einzelnen winzigen separierten Punkt des Aufnahmesensors traf. Mit diesem Verfahren reichte die Geschwindigkeit des Chips aus. 

Beschränkte Auflösung

Der entstehende Film muss anschliessend noch digital zusammengesetzt werden. Allerdings gibt es bei der ganzen Sache – noch – einen Nachteil: Die Auflösung der Bilder ist auf 450 mal 450 Pixel beschränkt. Das bedeutet, dass die Hochgeschwindigkeitskamera in dieser Hinsicht kaum mit einer kleinen Handykamera mithalten kann. 

Dafür kann die ultraschnelle Kamera Dinge sichtbar machen, die weit jenseits des menschlichen Sichtvermögens liegen: Im Testversuch wurden die Schwingungen von Atomen in einem Kristallgitter aufgenommen. (dhr)

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Eine Billion Bilder pro Sekunde (engl.). Video: Youtube/TED

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