每秒能捕捉萬億幀的相機

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

“快是好的，但越快越好”是一個指導方針，適用于我們試圖檢測的許多操作。以頻閃式膠卷相機攝影的發展為例，這種相機的閃光燈最短可達十萬分之一秒，主要是由麻省理工學院教授哈羅德·埃德格頓（Harold“Doc”Edgerton）在20世紀30年代開始在麻省理工學院領導的。他的許多“停止運動”照片都是眾所周知的圖標，如圖1所示，在一個專門的在線畫廊里還有數百條。盡管埃德格頓的工作是從單鏡頭事件開始的，但他也開發了多鏡頭系統，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研究跨學科。

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”的照片更注重科學和研究。

我想知道如果Edgerton博士看到加州理工學院（Caltech）的一個團隊最近的一個項目，這個項目的系統可以以每秒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不同，它不只是對單個或幾個幀執行此操作，而是連續執行高達1000幀的操作。與某些連續圖像捕獲系統不同，它不要求被攝體是重復事件，即它每周期捕獲一次連續圖像，但具有輕微但精確的時間偏移。取而代之的是，這種相機可以同時滿足單次拍攝事件的幀速/秒和幀數——這是一個主要優勢。研究人員認為，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、擴散介質中的光子傳輸以及凝聚態物質中的形態瞬變等快速現象非常有用。我得聽他們的話。

毫不奇怪，這套圖像采集系統由醫學工程和電氣工程的布倫教授王麗紅（Lihong Wang）領導的團隊開發，包含了令人印象深刻的模擬、數字和電光技術的非直觀組合。王稱之為壓縮超快光譜攝影（CUSP），它將發射飛秒激光脈沖的激光與光學設備和相機結合在一起，這與模擬（膠片）或數字意義上的任何傳統意義都不同。它采用先進的電光和光學物理原理，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，可以根據實驗進行調諧。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示意圖顯示：a）系統的完整示意圖；b）光譜色散方案的詳細說明（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—數字微鏡裝置；G—衍射光柵；L—透鏡；M—鏡子。]

該系統的關鍵部件之一是條紋相機，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的成像儀結合在一起，如圖3所示。光學系統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中產生圖像。在此過程中，到達的光子會產生相應的光電子，掃描電極會根據到達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在條紋相機的詳細說明中，您可以看到到達的光子脈沖產生電子的機制，這些電子根據光子脈沖的到達時間而移位。

研究人員對系統工作原理的“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，擴展到光譜時間壓縮。”雖然上述每一種技術已經在使用中，但它們在這里的結合方式顯然是相當創新的，在理論上也比在實踐中更容易實現。

我沒有必要試圖對它的工作原理進行全面的總結，因為他們在《自然通信》雜志上發表的激烈但相當可讀的九頁學術論文“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頁的補充資料文件，其中包括一些相當激烈的數學，分析了物理和錯誤來源，這里還有操作的視頻。

這一躍進到萬億+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、激光、成像ccd和數字信號處理等不同技術融合到一個相互支持的結構中來實現的。研究人員已經打破了“筒倉”（用這個有點累的短語）并設計了一個系統，其中不僅整體大于其各部分之和，而且整個系統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。它有點類似于把氧和氫結合起來得到水，而水和那些組成元素沒有相似之處。

條紋相機的詳細說明。

掃描電極之間的紅點表示。

不同到達時間的加速光電子。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。

條紋相機的特征。

（a）光電陰極量子效率的測量

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

（b）空間電荷感應像

在不同的入射光強度下傳播。擴散表示為傳感器像素數。

插圖：在四個選定燈光下，條紋相機在聚焦模式下拍攝的二維圖像強度。

（c）條紋相機的響應曲線。

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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