画像の高速スピンを「フリーズ」

May, 30, 2025, Washington--高速で回転する物体を見ると、ぼやけて見えることがある。この現象は、風車を見たり、フィギュアスケートを観戦する際には支障はないかもしれないが、ジェットエンジンの高速回転ファンブレードや、生命や財産が依存する他の装置の性能を検査するには全く不十分である。

中国の研究者は、回転する物体を「凍結」し、鮮明な静止画を提供する単一画素イメージングシステムを開発した（Opt. Lett., doi:10.1364/OL.555872 )。このセットアップは、ターゲットの回転速度を感知し、照明パターンを移動ターゲットに同期させ、単一画素検出器で画像をキャプチャする。デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)は、最大22kHzの速度で照明を制御する。

スピンを捉える
実際には、高速切削工具から発電所のタービンブレードまで、多くの種類の回転物体は、壊滅的な故障が発生する前に位置ずれや摩耗を検出するための安全検査を必要としている。通常のカメラは不鮮明な状態をキャプチャするだけである。高速撮影は高価で、長時間の観測から得られる大量のデータを保存することはできない。研究者の中には、単一画素イメージングを実験したものもいるが、回転速度は一定であると仮定しており、実際のモーターやプロペラの回転速度はわずかに異なることがよくある。

曁南大学のZibang Zhangが率いるチームは、回転する物体の写真を撮る前に、その物体の真の回転速度を感知する光ベースの方法を開発した。研究チームは、回転する物体に660nm波長のレーザビームを照射し、後方散乱光を単一画素検出器で捕らえた。マイクロコントローラは信号を解析し、信号の周期性から回転速度を計算した。各周期の波形のパルス数は、回転する物体のブレードの数と相関している。

次に、実験装置により、空間光変調器とDMDが回転する物体に構造化光パターンを照射させ、単一画素検出器がこの後方散乱も拾う。フーリエ解析では、レーザからの散乱光と構造化光パターンから散乱光を分離する。

より鮮明な画像
チームの研究では、Zhangのグループは、幅11cmで2170rpmで回転するジェットエンジンのモデルと、14650rpmで回転するCPUファンの2つのベンチトップサイズの物体を使用した。チームは、対象物体の回転が速いほど、再構築された画像の品質が収束するのが速いことを発見した。最初は、ジェットエンジンとCPUファンのリアルタイム構造の両方がぼやけていたが、120秒後にはCPUファンの画像が鮮明になり、300秒後にはジェットエンジンの画像が鮮明になった。

研究チームによると、対象物の回転速度がDMDの最大動作速度よりも小さい限り、監視システムは、回転速度に関する予備知識がなくても、様々な回転ブレード、ファン、および同様の物体を研究できるはずである。