20 Millionen
Bilder pro
Sekunde –
20 Jahre
Fortschritt
Von der HPV-1 bis zur HPV-X3: Ultraschnelle Einblicke in Materie, Biologie und Energie
Dr. Johannes Hesper, Shimadzu Europa GmbH
Wie bewegen sich Atome in einer chemischen Reaktion? Welche Strukturen verbergen sich im Inneren von Viren? Und wie verhält sich Materie unter extremen Bedingungen, wie sie sonst nur in Sternen oder Planeten herrschen? Am European XFEL werden die schnellsten und für uns unsichtbaren Prozesse sichtbar gemacht. Die Forschungsanlage bei Hamburg mit dem größten Röntgenlaser der Welt liefert dafür ultrakurze, hochintensive Röntgenblitze – ein Werkzeug, das Wissenschaft und Industrie völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Hier entwickeln Forschende Methoden, um diese Einblicke zu ermöglichen und festzuhalten – unter anderem mit HPV-X2 Kameras von Shimadzu.
Ultrahochgeschwindigkeit neu definiert
Im Jahr 2005 revolutionierte die HyperVision HPV-1 von Shimadzu die Welt der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und läutete eine neue Ära der Bildaufzeichnung ein. Dank ihres speziellen IS-CCD Sensors (in-site storage image sensor) konnte diese Kamera unglaubliche 1 Million Bilder pro Sekunde bei einer Auflösung von etwa 81.000 Pixeln aufnehmen. Diese bemerkenswerte Leistung ermöglichte es Wissenschaftlern und Ingenieuren erstmals, ultraschnelle Phänomene sichtbar zu machen, die zuvor verborgen geblieben waren, und eröffnete neue Perspektiven – von der Materialforschung bis zur Biomedizin.
Die HPV-1 wurde nicht nur für ihre technische Innovation gelobt, sondern erhielt auch zahlreiche Auszeichnungen. So gewann sie im Jahr ihrer Einführung den „Best 10 New Products Award“ der Nikkan Kogyo Shimbun Ltd. und wurde 2006 mit einem „R&D 100 Award“ prämiert, der weltweit technologisch herausragende Produkte ehrt. Sie war die weltweit erste Ultra-Hochgeschwindigkeitskamera, die Videobilder mit einer bis dahin unerreichten Aufnahmegeschwindigkeit von 1.000.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen konnte. Diese Auszeichnungen unterstreichen den bedeutenden Einfluss der HPV-1 auf die industrielle Entwicklung und die wissenschaftliche Forschung.
Die HPV Serie – ultraschnell weitergedacht
2008 brachte Shimadzu das Nachfolgemodell HPV-2 auf den Markt. Es bot die gleichen beeindruckenden Aufnahmegeschwindigkeiten wie sein Vorgänger, darüber hinaus aber auch ein leichteres und benutzerfreundliches Design. Die Möglichkeit, synchronisiert mit bis zu vier Kameras zu arbeiten, erleichterte die dreidimensionale Analyse komplexer Phänomene und brachte die Forschung in vielen wissenschaftlichen Bereichen voran.
2012 setzte die HPV-X Serie neue Maßstäbe: Mit bis zu 10 Millionen Bildern pro Sekunde – zehnmal schneller als zuvor – ermöglichte der neu entwickelte FTCMOS Sensor (Frame Transfer CMOS) eine verbesserte Bildqualität und flexible Aufnahmemodi für unterschiedlichste Experimente. Zum ersten Mal konnten 256 Frames aufgenommen werden. Diese Kameras trugen entscheidend zur Entwicklung neuer Materialien und zur Erforschung ultraschneller physikalischer Prozesse bei.
Nur wenige Jahre später folgte die Einführung der HPV-X2. Ihr verbesserter FTCMOS2 Chip steigerte bei gleicher Aufnahmegeschwindigkeit wie die HPV-X die Lichtempfindlichkeit um das Sechsfache. Damit wurden erstmals auch lichtschwache Experimente möglich – selbst bei extrem kurzen Belichtungszeiten von nur 50 Nanosekunden.
Ein entscheidender Vorteil der HPV-X3 gegenüber anderen Hochgeschwindigkeitskameras liegt in ihrer fortschrittlichen Speicher- und Verarbeitungsarchitektur. Während andere Hochgeschwindigkeitskameras bei der Aufnahme die Frames auf einem externen Datenträger speichern und dadurch die Geschwindigkeit oder Bildauflösung reduzieren müssen, liest die HPV-X3 die Bilddaten erst nach dem Experiment aus dem FTCMOS Chip aus. Dies ermöglicht eine schnellere, effizientere Verarbeitung und ist besonders bei komplexen Experimenten von Vorteil, bei denen eine präzise Zeitsteuerung entscheidend ist.
Highspeed für Wissenschaft und Technik
Neben Forschungseinrichtungen wie dem European XFEL kommen Ultra-Hochgeschwindigkeitskameras auch in vielen anderen Bereichen der Wissenschaft und Technik zum Einsatz, vor allem in der Materialforschung und Biomedizin. In der Materialforschung ermöglichen sie etwa die Analyse des Verhaltens von Werkstoffen unter extremen Belastungen. Ein eindrucksvolles Beispiel ist die Untersuchung von Karbonfaserverbundstoffen (CFRP): Beim Ziehen der Proben wird der Moment des Materialversagens in Echtzeit aufgenommen. Die Analyse der Rissausbreitung liefert wertvolle Erkenntnisse über Festigkeit und Haltbarkeit dieser Materialien – entscheidend für die Luft- und Raumfahrttechnik.
HPV-X3 – die neueste Generation mit 20 Millionen Bildern pro Sekunde
Die 2025 eingeführte HPV-X3 verdoppelt die Aufnahmegeschwindigkeit auf beispiellose 20 Millionen fps (Frames per Second) und verdreifacht die Auflösung auf 300.000 Pixel – bei allen Geschwindigkeiten. Forschende können damit feinste Details ultraschneller Prozesse beobachten und neue Erkenntnisse in zahlreichen Forschungsbereichen gewinnen. Die Möglichkeit, externe Zeitsynchronisationssignale zu nutzen, erhöht zudem die Effizienz bei der Datenerfassung erheblich.
Unsichtbares ultraschnell sichtbar machen
Die kontinuierliche Evolution der HPV Serie zeigt eindrucksvoll, wie wichtig Ultra-Hochgeschwindigkeitskameras für Wissenschaft und Technik sind. Von der ursprünglichen HPV-1 bis zur neuesten HPV-X3 stand Shimadzu stets an der Spitze der technologischen Entwicklung. Indem sie mikroskopische, ultraschnelle Phänomene sichtbar machen, liefern diese Kameras unschätzbare Informationen für die Forschung und ermöglichen praktische Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen. Mit der HPV-X3 und ihrer beispiellosen Fähigkeit, mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Millionen Bilder pro Sekunde aufzunehmen zu können, wird deutlich, wie wichtig präzise Beobachtung und Analyse der dynamischen Welt um uns herum heute sind. Ob für Raumfahrt, Materialforschung oder mikroskopische Kavitation – weniger wäre einfach zu langsam!
