你的相机能捕捉每秒数万亿帧的画面吗?

文章作者:Bill Schweber

“快是好的，但更快是更好”是一个指导方针，适用于许多我们试图仪器的操作。考虑一下以频闪灯为基础的胶片相机摄影技术的发展，这种技术的闪光灯短至10万分之一秒，主要是由麻省理工学院领导的哈罗德·埃哲顿教授20世纪30年代开始在麻省理工学院。他的许多“定格动作”照片都是众所周知的图标，比如图1，还有数百人在一个专门的在线画廊。虽然他的努力开始于单镜头事件，埃哲顿也开发了多镜头系统，可以捕捉一系列均匀间隔的闪光图像。除了令人惊叹的因素外，他的工作对跨许多学科的各种科学研究都是必不可少的。

图1这只是埃哲顿博士所熟知的众多闪光灯中的一张;还有一些照片比这张“引人注目”的照片更具有科学性和研究性。(图片来源:好的数字集合)

我想知道Edgerton博士会怎么说，如果他看到加州理工学院(California Institute of Technology，简称Caltech)的一个团队最近的一个项目，该项目拥有一个能够以70万亿帧每秒(fps)捕捉图像的系统。此外，不像一些多帧图像捕捉相机，它不只是单帧或几帧，而是连续1000帧。与一些连续图像捕捉系统不同，它不要求主题是一个重复的事件，即每个周期捕捉连续图像一次，但有轻微但精确的时间转移。相反，这款相机可以满足帧/秒和帧数的单镜头事件-一个主要的优势。据研究人员称，这一令人难以置信的速度在快速现象如超短光传播，分子的辐射衰变，孤子形成，冲击波传播，核聚变，扩散介质中的光子输运，凝聚态物质中的形态瞬态等方面是有用的。我只能相信他们的话了。

毫不奇怪，这个图像捕获系统是由医学工程和电气工程的brenn教授Lihong Wang领导的团队开发的，它是模拟、数字和电光技术的令人印象深刻的非直观混合。Wang称其为压缩超快光谱摄影(CUSP)，它结合了一种激光发射飞秒激光脉冲与光学和相机，不同于任何传统意义上的词在模拟(电影)或数字意义。它采用先进的电光和光学物理原理，深入研究光的量子特性及其相互作用，图2。在照明部分，一个分束器和一个玻璃棒将一个飞秒脉冲转换成一个时间上线性啁啾的脉冲序列，相邻的子脉冲被t分开_sp，可以根据实验进行调整。得到的图像包括光栅在水平方向上的光谱色散和条纹相机在垂直方向上的时间剪切。

数字2这张70万亿帧/秒成像的active CUSP系统示意图显示:a)完整的系统示意图;b)光谱色散方案的详细说明(黑色虚线框);c) s视图中原始尖点图像的合成。[缩写:BS -分束器;DMD -数字微镜装置;G -衍射光栅;L -透镜;M -镜子。)(图片来源:加州理工学院)

该系统的关键元素之一是条纹相机，它结合了老式、几乎过时的阴极射线管(CRT)和基于ccd的成像仪的某些方面，图3。这些光学器件将单个飞秒激光脉冲分解成一系列更短的脉冲，每个脉冲都能在相机中产生图像。在此过程中，到达的光子产生相应的光电子，扫描电极根据到达的时间垂直移动以分离图像。如图所示，扫描电极之间的红点代表不同到达时间的加速光电子。排名靠前的比排名靠后的来得早。扫描电压以条纹模式施加于扫描电极，而聚焦模式不施加扫描电压。

数字3.在这张条纹相机的详细图中，你可以看到到达的光子脉冲产生电子的机制，这些电子根据光子脉冲到达的时间被替换。(图片来源:加州理工学院)

研究人员对该系统工作原理的“高层次”描述听起来像是《星际迷航》(Star Trek)或《暮光之城》(Twilight Zone)里的东西:“它打破了速度的限制，在与时间剪切正交的方向上利用光谱色散，扩展到光谱时间压缩。”虽然上述每一项技术都已经在使用中，但它们在这里的组合方式显然是相当创新的，而且在理论上比在实践中更容易实现。

我没有必要试图提供一个关于它如何运作的全面总结，作为他们紧张但相当易读的9页学术论文"单镜头超快成像达到每秒70万亿帧”发表在自然通讯是一个更好的来源。他们还提供了一份长达40页的报告补充信息论文中有额外的设置细节包括一些相当密集的数学分析物理和误差来源，还有操作的视频在这里也(不足为奇的是，该项目部分由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助。)

这一跃进万亿fps/1000帧的图像捕获是非常令人印象深刻的，特别是它是通过将电子、光学、激光、成像ccd和数字信号处理等不同技术融合到一个相互支持的结构中实现的。研究人员已经打破了“竖井”(使用这个有点老套的说法)，设计出了一种不仅整体大于部分之和的系统，而且整个存在的唯一原因是他们将不同的部分结合成一种非常新的系统。这有点类似于氧和氢化合得到水，而水和构成元素没有相似之处。