Exponeringstid: 0,0000000005 sekund

Traditionella digitalkameror är inte särskilt användbara om man ska ta flera miljoner bilder per sekund. Det går inte att skifta ut video ur en CCD-array tillräckligt fort för att klara det. Den enda belysningskälla som är så snabb att den kan frysa en rörelse ned på en mikrosekund eller kortare är en pikosekund-laserpuls.

STEAM-kameran. Fattaruväl.

Det har forskare vid UCLA (University of California i Los Angeles) utnyttjat i en helt ny typ av kamera. Slutartiden är ungefär 440 pikosekunder och kameran kan kontinuerligt fånga 6,1 miljoner bilder per sekund.

Tidigare har problemet alltid varit att ju kortare exponeringstid man har, desto mörkare blir bilden. Så icke nu, då laserljuset är själva bilden. Ljuset är tämligen svagt, så man riskerar inte att förstöra motivet med en för kraftig ljuspuls.

Man utgår från pikosekundkorta laserpulser.

Det gäller att kunna använda själva den ultrakorta laserljuspulsen till att också fånga bilden och det är just vad man gör med STEAM (Serial Time-Encoded Amplified imaging). Laserljus består normalt bara av en eller ett fåtal våglängder, men genom att manipulera ljuset lite grann så en laserpuls omvandlas till ett sk superkontinuum får man den att innehålla väldigt många våglängder. Från rött till violett. En enfärgad puls har blivit till ett helt färgspektrum

Här går ultrakorta laserpulser fram genom en mikrostrukturerad fiber, en fiber med ”midjor” som är smalare än en våglängd, en fiber med subvåglängds-diameter. Det ursprungliga laserljuset kommer in i fibern nerifrån i bild men är osynligt i bilden eftersom det är infrarött. Efter att det passerat genom fibern har våglängder i nästan hela det synliga spektrum genererats. Lätt som en plätt.

Pulsen körs genom en optisk komponent som sprider ut den till en regnbåge. Inte ett simpelt prisma, men det går inte riktigt att hitta information om vad det är, men sannolikt är det någon typ av holografiskt mikroraster.

I nästa optiska komponent klipper man upp spektrumet i ett antal delar och lägger dem under varandra. Motivet kommer slutligen att belysas av en kvadrat av olikfärgat laserljus, där det röda ljuset börjar överst till höger och sen lagts ut likt scanlinjerna på ett bildrör, så att den sista raden slutar med violett längst nere till vänster. En tvådimensionell regnbåge. Bilden ovan visar hur det uppdelade ljuset är på väg mot en spegel som riktar den det i blodkärlet (grönt!) som ska avbildas.

Ljuset träffar nu provet, en nervände, blodkärl, eller vad som helst, och reflekteras tillbaka. Principen är enkel. De delar av provet som är mörka absorberar ljuset, medan det studsar tillbaka från de ljusa delarna. Som vid vilken fotografering som helst. Efter att ljuset studsat tillbaka kommer alltså vissa fäger i spektrum att saknas, nämligen de som inte reflekterades utan absorberades.

Ljuset går bakvägen genom samma optik som förut och sätts åter ihop till vitt ljus, eller nästan-vitt ljus, minus vissa färger alltså. Vi har nu en pikosekundpuls som innehåller all bildinformation i form av befintliga och saknade färger.

Nu gäller det att skilja färgerna åt i detektorn. Ljuspulsen går in i en dispersiv optisk fiber med den speciella egenskapen att den har olika brytningsindex för olika färger. Ljus av olika färg kommer att färdas olika fort. När ljuset färdats genom fibern ett tag har de olika färgerna delats upp så att det röda ljuset rör sig fortare än det violetta. I andra änden av fibern kommer det röda ljuset ut först och det violetta senare. Fiberänden strålar in i en fotodetektor som alltså i princip ser färgerna i en lång rad efter varandra, eller om man hellre vill tänka på det som video, så ser fotodioden objektet som om det scannades uppifrån höger hörn, ned till vänster hörn.

Den elektriska signalen ur fotodioden är faktiskt mycket lik video och kan digitaliseras och användas som sådan.

Kommunikation mellan neuroner i nervsystemet är fantastiskt snabba händelser. Vesiklarna, de små blåsorna i nervänden som innehåller signalsubstansen, öser ut sitt innehåll i synapsen varefter sagda vesiklar återvinns och återuppstår inne i nervänden igen och det går på mikrosekunder.

Eller antag att det flyter fram cancerceller i en blodström. Dessa kommer till sist att fastna någonstans och metastasera och det gäller att hitta dem tidigt. Då kommer en annan fördel med STEAM fram. Den kan ta bilder i all evighet, utan att behöva triggas, så länge man har minne att lagra bilderna i, vill säga. Den kan bara fortsätta att ta bilder tills man hittar den där vandrande cancercellen. Sådana celler är mycket sällsynta, så sällsynta att det är i det närmaste meningslöst att försöka hitta dem genom att ta ett blodprov och studera i mikroskop.

Som demo visade man en film som visar hur en medicinsk laser bränner av vävnad, sk laserkirurgi. Nu går det att visa i detalj hur vävnaden förgasas.

Forskarna har använt samma princip, alltså STEAM, för att scanna streckkoder ultrasnabbt.

För närvarande har STEAM-kameran bara 3000 pixel, men forskarna tror at de ska kunna komma upp i 100.000. De vill också utöka metoden till att kunna ta tredimensionella bilder, för att kunna få kristallklara bilder av innehållet i enskilda celler.

Jörgen Städje