150.000 Bilder pro Sekunde: Forscher machen selbst Ultraschall sichtbar

Eine neue Hochgeschwindigkeitskamera erfasst selbst winzige Schwingungen in 3D. Forschenden aus Kanada gelang es damit, eine gesprochene Nachricht aus den Bewegungen einer Lautsprechermembran zu rekonstruieren. Die Technik könnte auch bei der Untersuchung von Turbinen, Materialbelastungen und schnellen Aufprallvorgängen helfen.

Ein Lautsprecher gibt eine gesprochene Nachricht wieder. Eine Kamera zeichnet dabei die winzigen Bewegungen seiner Membran auf. Anschließend rekonstruieren Forschende aus den Messdaten die Sprache. Möglich macht das ein neues 3D-Messverfahren aus Kanada, das bis zu 150.000 Aufnahmen pro Sekunde schafft.

Entwickelt wurde die Technik am Institut national de la recherche scientifique (INRS) in Québec. Sie heißt C-BLIP und stellt nach Angaben des Forschungsteams einen Geschwindigkeitsrekord in der optischen 3D-Profilometrie auf. Das ist ein Messverfahren, mit dem sich die Form und Bewegung von Oberflächen dreidimensional erfassen lassen.

Die Studie von Cheng Jiang und Jinyang Liang erschien am 12. Oktober 2026 im Fachjournal Nature Communications. Am 12. November stellte das INRS die Ergebnisse vor.

Wie die Hochgeschwindigkeitskamera Schall sichtbar macht

Besonders eindrucksvoll ist das Experiment mit einer Lautsprechermembran. Sie bewegt sich vor und zurück, sobald der Lautsprecher einen Ton erzeugt. Dadurch versetzt sie die umgebende Luft in Schwingung. Bei hohen Frequenzen erfolgen diese Bewegungen so schnell, dass sie für das menschliche Auge nicht erkennbar sind.

C-BLIP kann solche Oberflächenbewegungen berührungslos messen. Die Kamera erfasst dabei nicht die Schallwellen in der Luft, sondern die Schwingungen der Membran. Aus deren zeitlichem Verlauf lassen sich Informationen über das erzeugte akustische Signal gewinnen.

In einem kontrollierten Versuch gelang es den Forschenden, auf diese Weise eine gesprochene Nachricht wiederherzustellen. Auch Ultraschallschwingungen konnten sie sichtbar machen.

„Was uns am meisten begeistert, ist die Möglichkeit, Phänomene zu beobachten, die bisher unsichtbar waren. Mit C-BLIP konnten wir sogar Ultraschallschwingungen sichtbar machen und daraus eine gesprochene Nachricht wiederherstellen. Das zeigt das Potenzial dieses Ansatzes für zahlreiche wissenschaftliche und technische Anwendungen“, erklärt Erstautor Cheng Jiang in der Pressemitteilung des INRS vom 12. November 2026.

Wie funktioniert das neue 3D-Messverfahren?

Gewöhnliche Hochgeschwindigkeitskameras zeichnen schnelle Bewegungen auf. C-BLIP ermittelt zusätzlich die räumliche Form einer Oberfläche und verfolgt, wie sie sich verändert. Dafür projiziert das System spezielle Lichtmuster auf das untersuchte Objekt. Eine Kamera zeichnet auf, wie sich diese Muster auf der Oberfläche verformen. Aus den Bilddaten berechnet eine Software die dreidimensionale Gestalt.

Das Grundprinzip ist als Streifenprojektionsprofilometrie bekannt. Neu ist vor allem die Geschwindigkeit, mit der C-BLIP die Muster erzeugen und aufnehmen kann. Die Forschenden kombinieren dafür drei technische Komponenten:

• Digitaler Mikrospiegelchip: Winzige, elektronisch gesteuerte Spiegel erzeugen programmierbare Streifenmuster.
• Spezielle Projektionsoptik: Sie nutzt Licht aus einem begrenzten Wellenlängenbereich und ermöglicht eine besonders schnelle Beleuchtung der Oberfläche.
• Kamera und Bildverarbeitung: Das System nimmt die beleuchtete Oberfläche auf und berechnet daraus ihre dreidimensionale Form.

Dabei setzt das Forschungsteam auf LED-Licht statt auf eine aufwendige Laserbeleuchtung. Die Kombination aus optischem Aufbau und rechnerischer Auswertung soll die schnelle 3D-Messung mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand ermöglichen.

Ein Geschoss trifft eine Turbinenschaufel

Die Forschenden beließen es nicht beim Lautsprecherexperiment. Sie untersuchten auch, wie ein Projektil auf eine Turbofan-Schaufel trifft. C-BLIP erfasste den Aufprall mit 25.000 dreidimensionalen Farbbildern pro Sekunde.

Bei einem weiteren Versuch beobachteten sie einen fallenden Ahornsamen. Dessen flügelartige Form sorgt dafür, dass er sich beim Fallen dreht. Mit dem neuen Verfahren konnten die Wissenschaftler seine Bewegung dreidimensional verfolgen.

Die maximale Bildrate hängt davon ab, welche Informationen das System aufzeichnet.

Die Höchstgeschwindigkeit erreicht C-BLIP somit bei Aufnahmen ohne Farbinformationen. Zwischen zwei Bildern liegen dann gerade einmal 6,7 Mikrosekunden. Ein gewöhnlicher Kinofilm mit 24 Bildern pro Sekunde liefert im Vergleich dazu 6250-mal weniger Einzelbilder pro Sekunde.

Der Rekord bezieht sich allerdings auf die dreidimensionale Profilometrie. Andere Hochgeschwindigkeitskameras erreichen deutlich höhere Bildraten, erfassen dabei jedoch nicht dieselben dreidimensionalen Oberflächeninformationen.

Was bringt die Technik für den Maschinenbau?

Schnelle Bewegungen sind in der technischen Entwicklung häufig schwer zu untersuchen. Bei einem Aufprall verändern sich Oberflächen innerhalb kürzester Zeit. Schwingungen an Bauteilen können so schnell ablaufen, dass herkömmliche Messverfahren an ihre Grenzen stoßen.

Für die Materialforschung und den Maschinenbau ist deshalb nicht nur entscheidend, wann etwas passiert. Wichtig ist auch, wie sich die räumliche Form eines Bauteils dabei verändert. C-BLIP kann solche Vorgänge dreidimensional erfassen, auch wenn sie sich nicht exakt wiederholen lassen.

Mögliche Einsatzgebiete sehen die Forschenden unter anderem bei der Untersuchung von Aufprallvorgängen, mechanischen Schwingungen, aerodynamischen Bewegungen und schnellen Fertigungsprozessen.

Wie wichtig extrem kurze Aufnahmeintervalle für die Materialforschung sind, zeigt auch ein anderes Experiment: Forschende untersuchten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ein selbstheilendes Polymer beim Beschuss mit winzigen Projektilen. C-BLIP ergänzt die Möglichkeiten solcher Untersuchungen um eine schnelle dreidimensionale Oberflächenmessung.

Auch beim 3D-Druck spielen hochfrequente Bewegungen eine Rolle. So nutzt ein Fraunhofer-Verfahren gezielte Ultraschallschwingungen, um Stützstrukturen von gedruckten Metallbauteilen zu entfernen. Solche Vorgänge gehören grundsätzlich zu den möglichen Untersuchungsfeldern der neuen Messtechnik.

Der nächste Schritt: 3D-Bilder in Echtzeit berechnen

Bei den Experimenten erreichte C-BLIP bereits die hohe Aufnahmegeschwindigkeit. Die dreidimensionalen Bilder müssen allerdings noch aus den Messdaten berechnet werden. Eine Bildrate von 150.000 Aufnahmen pro Sekunde bedeutet deshalb nicht, dass sich die fertigen 3D-Modelle ebenso schnell darstellen lassen.

Daran arbeitet das Team nun. Mithilfe von Grafikprozessoren (GPUs) wollen die Forschenden die Verarbeitung beschleunigen, um künftig eine Echtzeitdarstellung zu ermöglichen.

„Mit C-BLIP können wir schnelle, nicht wiederholbare dreidimensionale Vorgänge kontinuierlich erfassen, die bislang nur schwer zu beobachten und zu quantifizieren waren. Über den Geschwindigkeitsrekord hinaus eröffnet dieser Durchbruch neue Möglichkeiten, dynamische Phänomene in zahlreichen wissenschaftlichen und technischen Bereichen besser zu verstehen“, erklärt Forschungsleiter Jinyang Liang in der INRS-Pressemitteilung vom 12. November.

Die bisherigen Experimente zeigen, dass das Verfahren sowohl schnelle Aufprallbewegungen als auch kleinste Oberflächenschwingungen dreidimensional erfassen kann. Für die industrielle Messtechnik ist vor allem diese Kombination aus hoher Bildrate und räumlicher Information interessant.

Quellen

• Nature Communications: Ultrahigh-speed chromatically band-limited illumination profilometry – Originalstudie von Cheng Jiang und Jinyang Liang, veröffentlicht am 12. Oktober 2026.
• INRS: Develops World’s Fastest 3D Profilometry System – Original-Pressemitteilung des INRS vom 12. November 2026, veröffentlicht über Mirage News.