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华人科学家研发出超快速相机,每秒1000亿帧

2020-10-17 21:27
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全球最快相机有多快?

今年 4 月,美国国家工程院院士、加州理工学院医学工程系与电子工程系 Bren 讲席教授汪立宏及其团队成功研发出每秒高达 70 万亿帧的拍照系统。

每秒 70 万亿帧是一个什么概念?快到足以捕捉传播中的光波。而目前最好的手机摄像头仅能实现每秒记录 1000 帧以下的慢动作。

研究人员表示,这种超快速相机或将在生命科学领域以及各种各样的极快现象(如超短光传播、波传播、核聚变等),可以通过探测超快的基础物理世界来帮助打造更小、更灵敏的电子产品。

但有个问题,这种超快速相机就像大部分人手机上的摄像头一样,只能产生平面图像。有没有一种速度极快、又能拍摄 3D 照片或视频的相机?

近日,汪立宏及其团队在这一领域再次取得突破,新型超快速相机可以通过模仿人眼拍摄 3D 视频,速度高达每秒 1000 亿帧。相关研究论文已于 10 月 16 日在线发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。

(来源:Nature Communications)

这种新型超快速相机与汪立宏此前研发的其他压缩超快摄影(compressed ultrafast photography,CUP)相机使用相同的基础技术,在你一眨眼的时间内,就足以拍下 100 亿张照片,比全世界人口的数量还要多。汪立宏将新一代超快速相机背后的技术称为 SP-CUP(single-shot stereo-polarimetric compressed ultrafast photography)。

在 CUP 技术中,视频的所有帧都被捕捉在一个动作中,而不会重复该事件。这使得 CUP 相机的拍摄速度非常快。汪立宏通过让相机像人一样 “看”,在原来 CUP 相机的基础上增加了另一个维度。

图|SP-CUP 系统原理图(来源:Nature Communications)

当一个人看他们周围的世界时,他们会感觉到有些物体离他们近,有些物体离他们远,之所以会这样,是因为我们的每只眼睛观察物体及其周围的角度略有不同,来自两只眼睛观察到的信息可以被大脑组合成一幅 3D 图像。 汪立宏表示,SP-CUP 相机的工作原理基本相同。“现在的相机是立体的,我们有一个镜头,但它模仿我们的眼睛,提供了两种视角的偏移。” 就像大脑处理从眼睛接收到的信号一样,运行 SP-CUP 相机的计算机可以将两个来源的数据处理成一个 3D 视频。

图|3D 视频显示激光脉冲穿过激光散射介质并从反射表面反射回来(来源:加州理工学院)

此外,SP-CUP 还具有另一项人类没有的功能:可以看到光波的偏振。

光的偏振是指光波在传播过程中振动的方向。以吉他弦为例,如果弦向上拉(比方说,用手指拉),然后松开,绳子就会垂直振动;如果手指横向拉弦,弦就会水平振动。普通光线具有向各个方向振动的波。然而,偏振光被改变了,所以它的波都朝着同一个方向振动。这可以通过自然的方式发生,比如光线从表面反射,或者是人工操作的结果,比如偏振滤镜。

虽然我们的眼睛无法直接探测光的偏振,但这一现象已被广泛应用:从液晶显示屏到偏光太阳镜和光学相机镜头,再到探测材料中隐藏的应力和分子的三维构型的设备。汪立宏认为,SP-CUP 的高速 3D 图像和偏振信息的使用使它成为一个强大的工具,可能适用于各种各样的科学问题。

特别是,他希望它能帮助研究人员更好地理解声致发光的物理原理。声致发光是一种声波在水或其他液体中产生微小气泡的现象,当气泡形成后迅速坍塌时,它们会发出一束光。

“有些人认为这是物理学中最大的谜团之一,当一个气泡坍缩时,它的内部会达到很高的温度,以至于会发光。这一切发生的过程非常神秘,因为一切都发生得太快了,我们想知道我们的相机能否帮助我们弄清这一点。” 汪立宏说。


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