每秒能捕捉万亿帧的相机
每秒能捕捉万亿帧的相机
Can your camera capture trillions of frames per second? This one can.
“快是好的，但越快越好”是一个指导方针，适用于我们试图检测的许多操作。以频闪式胶卷相机摄影的发展为例，这种相机的闪光灯最短可达十万分之一秒，主要是由麻省理工学院教授哈罗德·埃德格顿（Harold“Doc”Edgerton）在20世纪30年代开始在麻省理工学院领导的。他的许多“停止运动”照片都是众所周知的图标，如图1所示，在一个专门的在线画廊里还有数百条。尽管埃德格顿的工作是从单镜头事件开始的，但他也开发了多镜头系统，可以捕捉一系列均匀分布的闪光图像。除了“哇”的因素，他的工作是必不可少的各种科学研究跨学科。
图1这只是埃德格顿博士所熟知的众多闪光灯捕捉图像之一；其他的则比这张“吸引眼球”的照片更注重科学和研究。
我想知道如果Edgerton博士看到加州理工学院（Caltech）的一个团队最近的一个项目，这个项目的系统可以以每秒70万亿帧（fps）的速度捕捉图像，他会怎么说。此外，与一些多帧图像捕获相机不同，它不只是对单个或几个帧执行此操作，而是连续执行高达1000帧的操作。与某些连续图像捕获系统不同，它不要求被摄体是重复事件，即它每周期捕获一次连续图像，但具有轻微但精确的时间偏移。取而代之的是，这种相机可以同时满足单次拍摄事件的帧速/秒和帧数——这是一个主要优势。研究人员认为，这种难以置信的速度对于超短光传播、分子辐射衰变、孤子形成、冲击波传播、核聚变、扩散介质中的光子传输以及凝聚态物质中的形态瞬变等快速现象非常有用。我得听他们的话。
毫不奇怪，这套图像采集系统由医学工程和电气工程的布伦教授王丽红（Lihong Wang）领导的团队开发，包含了令人印象深刻的模拟、数字和电光技术的非直观组合。王称之为压缩超快光谱摄影（CUSP），它将发射飞秒激光脉冲的激光与光学设备和相机结合在一起，这与模拟（胶片）或数字意义上的任何传统意义都不同。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，如图2所示。在照明部分，分束器对与玻璃棒相连，将单个飞秒脉冲转换成一个时间线性啁啾脉冲串，相邻的子脉冲之间用tsp隔开，可以根据实验进行调谐。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。
图2:70万亿fps成像的主动尖点系统示意图显示：a）系统的完整示意图；b）光谱色散方案的详细说明（黑色虚线框）；c）s视图中的原始尖点图像的组成。[缩写：BS—分束器；DMD—数字微镜装置；G—衍射光栅；L—透镜；M—镜子。]
该系统的关键部件之一是条纹相机，它将老式的、几乎过时的阴极射线管（CRT）的某些方面与基于CCD的成像仪结合在一起，如图3所示。光学系统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，到达的光子会产生相应的光电子，扫描电极会根据到达的时间垂直移动这些光电子以分离图像。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。上面的比下面的来得早。扫描电压以条纹模式施加在扫描电极上，而聚焦模式不施加扫描电压。
图3在条纹相机的详细说明中，您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的到达时间而移位。
研究人员对系统工作原理的“高水平”描述听起来像是《星际迷航》或《暮光之城》中的一句话：“它打破了速度上的限制，在与时间剪切正交的方向上使用了光谱色散，扩展到光谱时间压缩。”虽然上述每一种技术已经在使用中，但它们在这里的结合方式显然是相当创新的，在理论上也比在实践中更容易实现。
我没有必要试图对它的工作原理进行全面的总结，因为他们在《自然通信》杂志上发表的激烈但相当可读的九页学术论文“每秒70万亿帧的单次超高速成像”是一个更好的来源。他们还提供了一份40页的补充资料文件，其中包括一些相当激烈的数学，分析了物理和错误来源，这里还有操作的视频。
这一跃进到万亿+fps/1000帧图像捕获a的飞跃确实令人印象深刻，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来实现的。研究人员已经打破了“筒仓”（用这个有点累的短语）并设计了一个系统，其中不仅整体大于其各部分之和，而且整个系统的存在只是因为他们将不同的部分组成了一种非常新的系统。它有点类似于把氧和氢结合起来得到水，而水和那些组成元素没有相似之处。
条纹相机的详细说明。
扫描电极之间的红点表示。
不同到达时间的加速光电子。上面的比下面的来得早一个。
扫描电压以条纹模式施加在扫描电极上，而不扫描在聚焦模式下施加电压。
条纹相机的特征。
（a）光电阴极量子效率的测量
在没有输入光学元件的条纹管中。橙色和红色代表带宽，分别用于SR-FLIM和70 Tfps主动成像。
（b）空间电荷感应像
在不同的入射光强度下传播。扩散表示为传感器像素数。
插图：在四个选定灯光下，条纹相机在聚焦模式下拍摄的二维图像强度。
（c）条纹相机的响应曲线。
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