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La capacité de capter 1,5 million d’images par seconde s’annonce prometteuse pour la vidéographie sportive, la production cinématographique et la recherche scientifique

Les caméras traditionnelles pourront capturer des images à ultra-haute vitesse

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7 mars 2019 // par Optical Society
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Des chercheurs de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), au Canada, viennent de mettre au point une technologie capable de saisir jusqu’à 1,5 million d’images par seconde à partir de bons vieux capteurs d’imagerie standard généralement limités à 100 images par seconde. Cette avancée qui rend possible la captation d’événements extrêmement rapides promet d’être très utile dans une foule d’applications, comme en recherche biomédicale ou au cinéma, pour les scènes au ralenti.
 
Jinyang Liang à gauche et Xianglei Liu font partie de l’équipe de recherche qui a développé le système COSUP, capable d’atteindre une vitesse d’imagerie de 1,5 million d’images par seconde avec une caméra traditionnelle. Crédit : Jinyang Liang, Institut national de la recherche scientifique
 
Les créateurs de cette technologie, appelée la photographie compressée à balayage optique à ultra-haute vitesse (Compressed Optical-Streaking Ultra-High-Speed Photography ou COSUP), signent d’ailleurs un article sur le sujet dans la revue Optics Letters de l’Optical Society (OSA). On y découvre comment la COSUP réussit à capter la transmission d’une seule impulsion laser d’à peine 10 microsecondes.
 
« La COSUP possède un potentiel d’applications très vaste, explique Jinyang Liang, professeur adjoint à l’INRS et auteur principal de l’article. Elle peut, entre autres, être intégrée à des microscopes et à des télescopes. En combinant la COSUP à des caméras DCC et SCOM, on peut élargir le domaine spectral et déterminer diverses caractéristiques optiques, dont la polarisation. »
 
Selon les chercheurs, la COSUP pourrait également rendre de précieux services à l’industrie cinématographique et à la vidéographie sportive, où des caméras à haute vitesse sont utilisées pour capter des mouvements détaillés et rapides pour la lecture au ralenti. D’ailleurs, ils travaillent à la miniaturisation des supports de la technologie afin que les téléphones intelligents puissent offrir la même qualité d’images au ralenti. 
 
 
Imagerie toujours plus rapide
Si les caméras d’aujourd’hui sont très sensibles et couvrent un domaine spectral fort vaste, leur vitesse est généralement limitée par le capteur d’image. En effet, les utilisateurs de caméras haute vitesse spécialisées doivent souvent faire des compromis et se contenter d’un tout petit nombre d’enregistrements à très haute vitesse, de l’imagerie unidimensionnelle, d’une faible résolution ou d’une configuration encombrante et coûteuse. C’est justement pour contourner ces obstacles que les chercheurs ont eu l’idée de combiner une imagerie informatisée, appelée acquisition comprimée, avec l’imagerie de balayage optique, et de cette idée est née la COSUP.
 
Le système COSUP utilise une caméra traditionnelle avec un scanneur galvanométrique et un dispositif numérique à micromiroir pour capter des images à grande vitesse.  Crédit : Xianglei Liu et Jinyang Liang, Institut national de la recherche scientifique
 
« La COSUP présente des similarités techniques avec les caméras haute vitesse sur le marché, comme une vitesse d’enregistrement réglable qui va de 10 000 à 1,5 million d’images par seconde, explique le professeur Liang. Et notre système est très économique puisque nous avons utilisé des composants du commerce. »
 
La COSUP s’accomplit à partir de l’acquisition comprimée qui fait appel à un dispositif numérique à micromiroir (Digital Micromirror Device ou DMD) pour associer un code spatial à chaque cadre temporel d’une scène. Ce processus attribue une étiquette, une sorte de code à barres, à chaque cadre temporel. Ensuite, un scanneur effectue le découpage temporel pour créer l’image de balayage optique — une image linéaire dont les propriétés temporelles de la lumière peuvent être déduites – est enregistrée avec une caméra traditionnelle en une seule prise.
 
« Même si l’image de balayage contient un mélange de données spatiales 2D et temporelles, nous pouvons les trier, grâce aux étiquettes uniques attribuées à chaque cadre temporel, puis reconstituer l’image, explique Xianglei Liu, doctorant à l’INRS et premier auteur de cet article. Ainsi, la COSUP peut enregistrer des centaines d’images 2D par séquence à une vitesse pouvant atteindre 1,5 million d’images par seconde et à une résolution de 500 × 1000 pixels. »
 
 
Capture d’une seule impulsion laser
Les chercheurs ont démontré le fonctionnement de la COSUP en tournant deux courtes vidéos en direct avec une caméra SCOM. Pour la première, ils ont utilisé la COSUP pour capter à une vitesse de 60 000 images par seconde quatre impulsions laser de 300 microsecondes passant à travers un masque portant les lettres USAF. Cette première expérience a donné une séquence de 240 images. En augmentant la vitesse à 1,5 million d’images par seconde, ils ont pu capter une seule impulsion laser de 10 microsecondes transmise à travers le masque. Pour la deuxième vidéo, les chercheurs ont enregistré la trajectoire d’une balle se déplaçant à grande vitesse. Ils ont utilisé la COSUP pour capter à une vitesse de 140 000 images par seconde la position spatiale et la forme de la trajectoire de la balle dans le temps. Ils ont également mesuré le centroïde de la balle dans chaque cadre temporel et comparé les résultats obtenus avec son emplacement réel. Ce faisant, ils ont démontré que la COSUP pouvait suivre et capter avec précision la position de la balle.
 
Les chercheurs projettent d’utiliser un système COSUP pour mesurer la durée de la phosphorescence de nanoparticules individuelles. Les résultats obtenus pourraient servir à créer un nanothermomètre optique qui simplifierait la thérapie photodynamique, un traitement médical à base de lumière. 
 
Ils veulent aussi se servir de la COSUP pour améliorer l’imagerie de la tension membranaire des neurones afin de mieux comprendre les mécanismes cellulaires sous-jacents aux fonctions cérébrales. Ce type d’imagerie est très complexe puisque le processus est fluctuant et non répétable et que les indicateurs utilisés produisent peu de lumière. « L’intégration de la COSUP à des caméras très sensibles, comme les caméras DCC qui multiplient les électrons, nous donnerait les moyens de développer une application capable d’enregistrer à très haute vitesse et en temps réel », précise Jinyang Liang.
 
Les chercheurs aspirent également à rendre le système suffisamment compact pour l’utiliser à l’extérieur et rêvent de le miniaturiser pour l’intégrer aux téléphones intelligents. D’ailleurs, ils ont noué un partenariat avec l’entreprise Axis Photonique pour réaliser le transfert technologique.
 
Article : X. Liu, J. Liu, C. Jiang, F. Vetrone, J. Liang, “Single-shot Compressed Optical-Streaking Ultra-highspeed Photography” Opt. Lett., vol. 44, Issue 6, 1387-1390 (2019). 
DOI: 10.1364/OL.44.001387.
 
 
La COSUP combine l’imagerie informatisée, appelée acquisition comprimée, l’imagerie continue à haute vitesse et les caméras traditionnelles. Source : Xianglei Liu et Jinyang Liang, Institut national de la recherche scientifique
 
 
À propos d’Optics Letters
Optics Letters publie des articles originaux, évalués par comité de lecture, qui font brièvement état des résultats les plus récents dans tous les domaines de l’optique. La revue couvre les dernières recherches en sciences optiques, y compris les mesures optiques, les composants et dispositifs optiques, l’optique atmosphérique, l’optique biomédicale, l’optique de Fourier, l’optique intégrée, le traitement optique, l’optoélectronique, les lasers, l’optique non linéaire, le stockage optique et l’holographie, la cohérence optique, la polarisation, l’électronique quantique, les phénomènes optiques ultrarapides, les cristaux photoniques et la fibre optique.
 
 
À propos de l’Optical Society
Fondée en 1916, l’Optical Society est le plus important regroupement professionnel de scientifiques, d’ingénieurs, d’étudiants et de chefs d’entreprise qui inventent des technologies, développent des applications et font avancer la science de la lumière. Grâce au rayonnement international de ses publications, réunions et autres activités organisées pour ses membres, l’OSE met à la disposition de son réseau mondial d’experts en optique et en photonique des recherches de qualité, un forum aussi inspirant qu’inspiré et des ressources spécialisées. Pour en savoir plus : osa.org.
 
Source : Optical Society

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