Самая быстрая видеокамера рисует микрообъекты одним пикселем
Уникальный микроскоп способен не только фиксировать процессы, происходящие быстрее, чем за пятьсот пикосекунд. Он может снимать более шести миллионов таких кадров в секунду, да ещё — в непрерывном режиме! Построили его в Калифорнийском университете, а из желающих применить новинку в деле уже выстраивается очередь.
Цифровые камеры традиционной конструкции могут работать в режиме скоростной съёмки, но их параметры при фотографировании быстротечных событий всё же сильно ограничены возможностями электроники, в частности — скоростью считывания сигнала с матрицы (будь то CCD или CMOS), её чувствительностью, параметрами памяти.
Так что для целого ряда научных приложений инженерам и учёным приходится изобретать специфическую аппаратуру или вообще — методику съёмки. Скажем, съёмки объектов молекулярных размеров при помощи ультракоротких лазерных импульсов.
Однако обычно системы, выдающие колоссальное количество кадров в секунду, а также ловящие чуть не фемтосекундные процессы, способны запечатлеть подряд очень небольшое число кадров. И потому они требуют синхронизации команды «мотор» и начала самого изучаемого процесса. Это как связывание курка пистолета и затвора фотоаппарата, который должен поймать полёт пули.
Принципиальное отличие новой системы — она может работать непрерывно без всякой связи с событиями на «съёмочной площадке». И это при огромном темпе «стрельбы» и выдержке одного кадра в 440 триллионных долей секунды!
Удивительно, но всё это достигается при съёмке объекта всего одним пикселем (одним фотодиодом), а не миллионами чувствительных элементов, как в обычных камерах. При этом всё равно получается пространственное изображение предмета.
Что это за чудо? Называется оно «Усилительная микроскопия с последовательным временным кодированием» (serial time-encoded amplified microscopy — STEAM). И её первый секрет — свет, которым облучается образец.
Готовит его импульсный лазер суперконтинуума. От обычного он отличается тем, что испускает не одну частоту, а широкий непрерывный спектр частот в приличном диапазоне. Сам этот импульс длится, как вы уже поняли, менее полумиллиардной доли секунды, и следуют эти импульсы с частотой 6,1 МГц.
Далее пара оптических элементов преобразует данный импульс в массив из цветных точек (2D-радугу), в котором частота излучения строго зависит от координат точки по осям X и Y. Эту световую «матрицу» и направляют на объект.
Его тёмные и светлые участки отражают или поглощают те или иные «цветные точки», а отражённый свет собирается при помощи оптики вновь в единый пучок.
Но поскольку между цветом исходных точек радуги и их координатами на плоскости имеется точная зависимость — в спектре уходящего луча теперь закодирована информация об облике объекта. Только нужно суметь её оттуда извлечь. А ведь сам импульс — очень короткий.
Тут-то в дело вступает второй «секрет» технологии – то самое временное кодирование сигнала.
Импульс направляется в диспергирующий световод. В нём свет разных частот имеет разную скорость, так что одни волны начинают обгонять другие, импульс растягивается и расслаивается по цветам. На конце оптоволокна стоит фотодетектор, который принимает вспышки света, идущие одна за другой, а быстродействующий процессор присваивает им координаты в двухмерном пространстве сообразно времени прихода.
Так получается двухмерный снимок, пусть и чёрно-белый. (Подробности можно найти в пресс-релизе университета и статье в Nature.)
Исследователи говорят, что «скорострельность» STEAM можно нарастить до 10 миллионов кадров в секунду. А это открывает заманчивые перспективы в целом ряде областей исследования: от физики, химии и материаловедения до биологии. А ещё — поможет диагностировать рак на ранней стадии.
Принцип тут такой: в самом начале заболевания в крови появляются первые раковые клетки, но их так мало, что выловить их невозможно. Есть теоретический шанс, что при фотографировании образца крови через микроскоп в поле зрения попадёт такая клетка. Но если эти «прекурсоры» рака составляют лишь одну клетку на миллиард здоровых, какова вероятность, что в одном снимке вы увидите искомую редкую «вещь»?
STEAM же мог бы сделать портрет вообще всех клеток подряд, выполняя непрерывную ультраскоростную видеосъёмку протекающего через сосуд (или трубку) кровяного потока. Далее компьютер, анализирующий изображения, узнал бы раковые клетки среди обычных.
Сейчас группа учёных под руководством профессора Бахрама Джалали (Bahram Jalali) из Калифорнийского университета (University of California, Los Angeles) работает над совершенствованием STEAM. Пока разрешение съёмки невелико, но его попробуют нарастить до 100 килопикселей, что с учётом крошечного поля зрения микроскопа будет означать разрешение деталей внутри живой клетки.
Кроме того, авторы супермикроскопа намерены создать его версию для трёхмерной съёмки. Те же биологи и медики такую систему, что называется, с руками оторвут.
