Самая быстрая камера в мире откровенно ошеломляет

Поскольку камеры позволяют нам испытывать явления, которые в противном случае остались бы незамеченными, скорость их формирования изображений по-прежнему существенно ограничивает нашу способность видеть все. Теперь ученые Калифорнийского технологического института надеются изменить это.

В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые описывают новую технику визуализации, которая может захватывать ошеломляющие 70 триллионов кадров в секунду.

Предыдущие разработки в области изображений, основанные на кремниевых датчиках, позволили достичь скоростей до миллионов кадров в секунду, рассказывает Лихонг Ван, профессор медицинской инженерии и электротехники в Caltech. Но это все еще недостаточно быстро, чтобы наблюдать и документировать некоторые из самых мимолетных любопытств в нашем физическом мире – от ядерного синтеза до ультракоротких импульсов света порядка пикосекунд (10–12 секунд) до флуоресцентного радиоактивного распада молекул.

Ученые обычно изучают эти сверхбыстрые события, вызывая желаемое событие несколько раз и неоднократно наблюдая его через другое окно времени. Этот нелинейный подход, часто используемый для изучения химических реакций, называется методом накачки. Будучи умным, по-прежнему невозможно воспроизводить изображения сверхбыстрых событий в режиме реального времени, а это означает, что от этого могут выиграть только повторяющиеся задачи.

Техника Вана, которую он называет сжатой сверхбыстрой спектральной фотографией (CUSP), использует короткие импульсы лазерного света, каждый из которых длится всего одну фемтосекунду или одну квадриллионную секунды. Про сложный процесс проще всего думать в два этапа: визуализация и освещение.

Во-первых, на этапе формирования изображения система сменных линз фиксирует сцену под рукой, разделяя путь света на два отдельных потока. По одному из этих путей внешняя камера захватывает недисперсное изображение. В другом цифровое микрозеркальное устройство кодирует изображение в псевдослучайный двоичный шаблон и передает его на входной порт полосковой камеры, которая измеряет изменение интенсивности импульса света.

Полосковые камеры в основном используются в лидарных системах, которые используют автомобили с автоматическим управлением, чтобы видеть окружающий мир.

В секции освещения светоделитель разбивает лазерный импульс на серию меньших колебаний. Каждая из меньших пульсаций запускает датчик в камере, снимающий изображение. Это происходит 70 триллионов раз в секунду.

Хотя это огромная цифра, каждый кадр на самом деле содержит только небольшое количество данных.

“Думайте об этом как о фильме: частота картинки не так уж велика, поэтому общее количество кадров не так велико”, – говорит Ван. – “Это как атомная бомба, ядерный синтез. Полная энергия всегда сохраняется, поэтому она быстро закончится”.

Это не первая попытка Вана освоить молниеносные изображения. Работа CUSP фактически основывается на его более ранней работе по сжатой сверхбыстрой фотографии с чувствительностью к фазе (pCUP). Этот метод может делать снимки света, движущегося в замедленном режиме со скоростью 10 триллионов кадров в секунду.

Но последние достижения примерно в семь раз лучше, что имеет значение. “Мы получаем более мелкие детали. Используя старую версию, вы не могли видеть очень хорошо”, – говорит Ван.

Некоторые национальные лаборатории уже используют прошлые версии технологии визуализации Вана, поэтому то же самое произойдет с новой улучшенной установкой. Единственным препятствием является то, что устройство “не так дешево”, говорит Ван. Но исследователи могут использовать ту же самую точную настройку с более дешевой камерой, чтобы получить скоростные результаты, которые являются удовлетворительными – просто не так быстро, как оригинал.

Так как скоро появится его следующая камера?

“Я не думаю, что кто-то знает срок выпуска”, – говорит Ван. – “Трудно спрогнозировать, чего еще мы можем достичь в этом направлении”.

По материалам Popularmechanics