每秒能捕捉萬億幀的相機(jī)

Can your camera capture trillions of frames per second? This one can.

“快是好的，但越快越好”是一個指導(dǎo)方針，適用于我們試圖檢測的許多操作。以頻閃式膠卷相機(jī)攝影的發(fā)展為例，這種相機(jī)的閃光燈最短可達(dá)十萬分之一秒，主要是由麻省理工學(xué)院教授哈羅德·埃德格頓（Harold“Doc”Edgerton）在20世紀(jì)30年代開始在麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的。他的許多“停止運動”照片都是眾所周知的圖標(biāo)，如圖1所示，在一個專門的在線畫廊里還有數(shù)百條。盡管埃德格頓的工作是從單鏡頭事件開始的，但他也開發(fā)了多鏡頭系統(tǒng)，可以捕捉一系列均勻分布的閃光圖像。除了“哇”的因素，他的工作是必不可少的各種科學(xué)研究跨學(xué)科。

圖1這只是埃德格頓博士所熟知的眾多閃光燈捕捉圖像之一；其他的則比這張“吸引眼球”的照片更注重科學(xué)和研究。

我想知道如果Edgerton博士看到加州理工學(xué)院（Caltech）的一個團(tuán)隊最近的一個項目，這個項目的系統(tǒng)可以以每秒70萬億幀（fps）的速度捕捉圖像，他會怎么說。此外，與一些多幀圖像捕獲相機(jī)不同，它不只是對單個或幾個幀執(zhí)行此操作，而是連續(xù)執(zhí)行高達(dá)1000幀的操作。與某些連續(xù)圖像捕獲系統(tǒng)不同，它不要求被攝體是重復(fù)事件，即它每周期捕獲一次連續(xù)圖像，但具有輕微但精確的時間偏移。取而代之的是，這種相機(jī)可以同時滿足單次拍攝事件的幀速/秒和幀數(shù)——這是一個主要優(yōu)勢。研究人員認(rèn)為，這種難以置信的速度對于超短光傳播、分子輻射衰變、孤子形成、沖擊波傳播、核聚變、擴(kuò)散介質(zhì)中的光子傳輸以及凝聚態(tài)物質(zhì)中的形態(tài)瞬變等快速現(xiàn)象非常有用。我得聽他們的話。

毫不奇怪，這套圖像采集系統(tǒng)由醫(yī)學(xué)工程和電氣工程的布倫教授王麗紅（Lihong Wang）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開發(fā)，包含了令人印象深刻的模擬、數(shù)字和電光技術(shù)的非直觀組合。王稱之為壓縮超快光譜攝影（CUSP），它將發(fā)射飛秒激光脈沖的激光與光學(xué)設(shè)備和相機(jī)結(jié)合在一起，這與模擬（膠片）或數(shù)字意義上的任何傳統(tǒng)意義都不同。它采用先進(jìn)的電光和光學(xué)物理原理，深入研究光的量子特性及其相互作用，如圖2所示。在照明部分，分束器對與玻璃棒相連，將單個飛秒脈沖轉(zhuǎn)換成一個時間線性啁啾脈沖串，相鄰的子脈沖之間用tsp隔開，可以根據(jù)實驗進(jìn)行調(diào)諧。得到的圖像包括光柵在水平方向上的光譜色散和條紋相機(jī)在垂直方向上的時間剪切。

圖2:70萬億fps成像的主動尖點系統(tǒng)示意圖顯示：a）系統(tǒng)的完整示意圖；b）光譜色散方案的詳細(xì)說明（黑色虛線框）；c）s視圖中的原始尖點圖像的組成。[縮寫：BS—分束器；DMD—數(shù)字微鏡裝置；G—衍射光柵；L—透鏡；M—鏡子。]

該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一是條紋相機(jī)，它將老式的、幾乎過時的陰極射線管（CRT）的某些方面與基于CCD的成像儀結(jié)合在一起，如圖3所示。光學(xué)系統(tǒng)將單個飛秒激光脈沖分解成一系列更短的脈沖，每個脈沖都能在相機(jī)中產(chǎn)生圖像。在此過程中，到達(dá)的光子會產(chǎn)生相應(yīng)的光電子，掃描電極會根據(jù)到達(dá)的時間垂直移動這些光電子以分離圖像。如圖所示，掃描電極之間的紅點代表不同到達(dá)時間的加速光電子。上面的比下面的來得早。掃描電壓以條紋模式施加在掃描電極上，而聚焦模式不施加掃描電壓。

圖3在條紋相機(jī)的詳細(xì)說明中，您可以看到到達(dá)的光子脈沖產(chǎn)生電子的機(jī)制，這些電子根據(jù)光子脈沖的到達(dá)時間而移位。

研究人員對系統(tǒng)工作原理的“高水平”描述聽起來像是《星際迷航》或《暮光之城》中的一句話：“它打破了速度上的限制，在與時間剪切正交的方向上使用了光譜色散，擴(kuò)展到光譜時間壓縮。”雖然上述每一種技術(shù)已經(jīng)在使用中，但它們在這里的結(jié)合方式顯然是相當(dāng)創(chuàng)新的，在理論上也比在實踐中更容易實現(xiàn)。

我沒有必要試圖對它的工作原理進(jìn)行全面的總結(jié)，因為他們在《自然通信》雜志上發(fā)表的激烈但相當(dāng)可讀的九頁學(xué)術(shù)論文“每秒70萬億幀的單次超高速成像”是一個更好的來源。他們還提供了一份40頁的補(bǔ)充資料文件，其中包括一些相當(dāng)激烈的數(shù)學(xué)，分析了物理和錯誤來源，這里還有操作的視頻。

這一躍進(jìn)到萬億+fps/1000幀圖像捕獲a的飛躍確實令人印象深刻，特別是它是通過將電子、光學(xué)、激光、成像ccd和數(shù)字信號處理等不同技術(shù)融合到一個相互支持的結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)的。研究人員已經(jīng)打破了“筒倉”（用這個有點累的短語）并設(shè)計了一個系統(tǒng)，其中不僅整體大于其各部分之和，而且整個系統(tǒng)的存在只是因為他們將不同的部分組成了一種非常新的系統(tǒng)。它有點類似于把氧和氫結(jié)合起來得到水，而水和那些組成元素沒有相似之處。

條紋相機(jī)的詳細(xì)說明。

掃描電極之間的紅點表示。

不同到達(dá)時間的加速光電子。上面的比下面的來得早一個。

掃描電壓以條紋模式施加在掃描電極上，而不掃描在聚焦模式下施加電壓。

條紋相機(jī)的特征。

（a）光電陰極量子效率的測量

在沒有輸入光學(xué)元件的條紋管中。橙色和紅色代表帶寬，分別用于SR-FLIM和70 Tfps主動成像。

（b）空間電荷感應(yīng)像

在不同的入射光強(qiáng)度下傳播。擴(kuò)散表示為傳感器像素數(shù)。

插圖：在四個選定燈光下，條紋相機(jī)在聚焦模式下拍攝的二維圖像強(qiáng)度。

（c）條紋相機(jī)的響應(yīng)曲線。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的每秒能捕捉万亿帧的相机的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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