Une caméra ultra-rapide filme à 100 milliards d’images par seconde une lumière se déplaçant dans un espace en 3D

Des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech), aux États-Unis, ont découvert comment enregistrer pour la première fois des vidéos de lumière se déplaçant dans les trois dimensions. La caméra est capable de filmer des vidéos jusqu’à 100 milliards d’images par seconde.

Pour remettre les choses dans leur contexte, un smartphone moyen est limité à 60 images par seconde.

Le chercheur Lihon Wang avait auparavant mis au point une technologie capable d’atteindre une vitesse fulgurante de 70 000 milliard d’images par seconde, assez rapide pour voir passer la lumière. Mais cela posait un problème. Tout comme l’appareil photo d’un téléphone portable, il ne pouvait produire que des images plates.

Il a donc décidé de franchir une étape supplémentaire et de passer à la 3D.

Le nouvel appareil utilise la technologie que Wang étudie depuis des années, et il est assez rapide pour prendre 100 milliards de photos en une seule seconde. Si le monde entier prenait autant de photos que possible en une seule seconde, nous n’atteindrions toujours pas cette performance. Wang appelle cela la ”photographie ultra-rapide compressée stéréo-polarimétrique en une seule prise » (SP-CUP pour Single-shot stereo-polarimetric compressed ultrafast photography).

Avec la technologie CUP, toutes les images d’une vidéo sont capturées en une seule action sans répétition de l’événement. Cela rend un appareil photo CUP extrêmement rapide. Maintenant, Wang a ajouté une troisième dimension à cette imagerie ultra-rapide, en faisant essentiellement en sorte que la caméra « voit » tout comme les humains.

En entête : une vidéo en trois dimensions présentant une impulsion de lumière laser traversant un milieu de diffusion laser et rebondissant sur des surfaces réfléchissantes. (Caltech)

Lorsque nous regardons notre environnement, nous percevons que certains objets sont plus proches et d’autres plus éloignés. Cela est possible grâce à nos deux yeux, car chacun voit les objets et leur environnement sous un angle différent. Les informations de ces deux images sont combinées par le cerveau en une seule image 3D. La caméra SP-CUP fonctionne de la même manière, selon Wang qui ajoute :

L’appareil photo est maintenant stéréo. Nous avons un objectif, mais il fonctionne comme deux moitiés qui fournissent deux vues avec un décalage. Deux canaux imitent nos yeux. Tout comme le cerveau le fait avec le signal qu’il reçoit des yeux, l’ordinateur qui fait fonctionner la caméra a traité les données des deux canaux pour en faire un film en 3D.

La caméra a également la capacité de voir la polarisation des ondes lumineuses, ce que les humains ne peuvent pas faire. Il s’agit de la direction dans laquelle les ondes lumineuses vibrent lorsqu’elles se déplacent. La lumière ordinaire a des ondes qui vibrent dans toutes les directions, mais la lumière polarisée a été modifiée de sorte que toutes les ondes vibrent dans la même direction. Cela a une myriade d’applications scientifiques, expliquent les chercheurs, depuis les lunettes de soleil polarisées, les écrans LCD et les lentilles des appareils photo jusqu’aux mesures optiques en laboratoire.

La combinaison de l’imagerie 3D à haute vitesse et de l’utilisation des informations de polarisation fait de la caméra un outil puissant qui peut être appliqué à une grande variété de problèmes scientifiques, a déclaré Wang. Il espère qu’elle aidera les chercheurs à mieux comprendre la physique de la sonoluminescence, un phénomène dans lequel les ondes sonores créent de minuscules bulles dans l’eau ou d’autres liquides.

Toujours selon Wang :

Certaines personnes considèrent que c’est l’un des plus grands mystères de la physique. Lorsqu’une bulle s’effondre, son intérieur atteint une température si élevée qu’elle génère de la lumière. Le processus qui fait que cela se produit est très mystérieux, car tout se passe si vite, et nous nous demandons si notre caméra peut nous aider à le comprendre.

L’étude publiée dans Nature Communications : Single-shot stereo-polarimetric compressed ultrafast photography for light-speed observation of high-dimensional optical transients with picosecond resolution et présentée sur le site du California Institute of Technology : Ultrafast Camera Films 3-D Movies at 100 Billion Frames Per Second.