Des chercheurs ont mis au point une caméra qui capture « l’invisible » à un milliard d’images par seconde

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Un nouveau dispositif de capture d'image ultrarapide a été mis au point par des scientifiques de Caltech. | Caltech

Les scientifiques continuent de repousser les limites des appareils optiques actuels, notamment lorsqu’il s’agit d’étudier des phénomènes physiques ou chimiques. Récemment, une équipe de chercheurs de Caltech a créé un nouveau dispositif de capture d’image ultrarapide (pCUP, de l’anglais phase-sensitive compressed ultrafast photography), capable de prendre un milliard d’images par secondes.

Bien que cela soit un chiffre absolument ahurissant, cette nouvelle création n’établit pas de record. En effet, certains chercheurs (de la même équipe) avaient déjà développé, en 2018, une caméra possédant une fréquence de capture de 10 billions d’images par seconde (10’000 milliards). Cependant, ce nouveau dispositif a plus d’une corde à son arc : il peut capturer des objets transparents, ainsi que d’autres des phénomènes invisibles à l’œil nu, comme les ondes de choc par exemple.

Bien que cette incroyable technologie ne soit pas très utile pour des vidéos de vacances ou des selfies Instagram, elle promet d’avoir une variété d’utilisations scientifiques à travers la physique, la biologie et la chimie.

L’appareil fonctionne en utilisant la technique innovante utilisée dans le modèle de 2018, où les mesures d’intensité lumineuse sont combinées avec une image statique ainsi que des algorithmes avancés.

Mais le dispositif comporte tout de même un nouvel élément, il exploite la microscopie à contraste de phase : il s’agit d’une technique photographique plus ancienne où les changements dans les positions relatives des ondes lumineuses, lors de leur passage à travers différentes densités, sont convertis en variations de luminosité. Cela permet à des objets transparents, tels que les cellules faites principalement d’eau, d’être imagés.

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« Ce que nous avons fait est d’adapter la microscopie à contraste de phase standard afin qu’elle fournisse une imagerie très rapide, ce qui nous permet d’imager des phénomènes ultrarapides dans des matériaux transparents », explique Lihong Wang, ingénieur électricien au California Institute of Technology (Caltech).

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Une onde de choc créée par un laser frappant de l’eau se propageant au ralenti a été capturée par la nouvelle technologie de photographie ultrarapide, permettant de capturer un milliard d’images par seconde. Crédits : Caltech

À savoir que la microscopie à contraste de phase a été inventée par le physicien hollandais Frits Zernike dans les années 1930, et exploite les changements de phase d’une onde lumineuse traversant un matériau. Ainsi, ces changements de vitesse rendent les matériaux comme le verre beaucoup plus faciles à repérer avec cette technique.

Quant à la dernière particularité de ce nouvel appareil, l’équipe de Caltech l’appelle la technologie ultrarapide compressée à codage sans perte (LLE-CUP, de l’anglais lossless encoding compressed ultrafast technology). Ceci marque la prochaine génération d’appareils photos et dispositifs à balayage, qui capturent un événement entier en une seule fois, permettant d’enregistrer le timing des ondes lumineuses.

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Une impulsion de lumière laser parcourt un cristal (vu au ralenti), également capturée par la nouvelle technologie de photographie ultrarapide. Crédits : Caltech

Le travail précédent de Wang a permis d’ajouter un nouveau composant : un appareil à couplage de charge. À présent, Wang a combiné une forme améliorée de cette configuration avec la microscopie qui filtre la lumière non diffusée pour cartographier les changements que l’œil humain ne peut pas voir. Ce type de dispositif scientifique, de plus en plus sophistiqué, conduira indéniablement à de nouvelles découvertes sur le monde qui nous entoure, que ce soit en prenant des instantanés du corps humain ou en enregistrant l’intrication quantique.

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Dans ce cas précis, les scientifiques ont réussi à capturer le mouvement d’une onde de choc dans l’eau, ainsi que d’une impulsion laser à travers un matériau cristallin. De plus, « ce dispositif pourrait être utilisé à bien d’autres fins à l’avenir, car il peut être combiné avec plusieurs autres systèmes d’imagerie optique existants », ont expliqué les chercheurs.

Il pourrait par exemple permettre aux scientifiques d’observer en détails la dilatation des flammes dans les chambres de combustion, ou encore d’enregistrer les signaux qui traversent les neurones à l’échelle microscopique. « Lorsque les signaux voyagent à travers les neurones, il y a une dilatation minuscule des fibres nerveuses, que nous espérons voir. Nous pourrions peut-être voir la communication d’un réseau de neurones en temps réel », a expliqué Wang.

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Source : Science Advances

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