超快相机每秒拍摄1万亿帧的透明物体和现象

时间:2020-01-21 19:09 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

超快相机每秒拍摄1万亿帧的透明物体和现象

一年多以前,加州理工学院的王立红(Lihong Wang,音译)发明了世界上最快的照相机,每秒能拍10万亿张照片。它的速度如此之快,甚至可以捕捉到以慢动作移动的光。

但有时仅仅快速是不够的。事实上,即使是最快的相机也不能拍下它看不到的东西。为此,医学工程和电子工程的Bren教授王开发了一种新相机,它可以每秒拍摄1万亿张透明物体的照片。一篇关于这种照相机的论文发表在1月17日的《科学进展》杂志上。

王称这种相机技术为相敏压缩超快摄影(pCUP),它不仅可以拍摄透明物体的视频,还可以拍摄更短暂的东西,比如冲击波,甚至可能拍摄通过神经元传递的信号。

王解释说,他的新成像系统结合了他之前开发的高速摄影系统和一种老技术——相衬显微术。相衬显微术可以更好地成像透明的物体,比如细胞,其中大部分是水。

相位对比显微镜技术是由荷兰物理学家弗里茨·泽尼克在近100年前发明的,其工作原理是利用光波进入不同材料时的减速和加速方式。例如,如果一束光穿过一块玻璃,它在进入玻璃时减速,然后在离开时再次加速。这些速度的变化改变了波浪的时间。通过使用一些光学技巧,我们可以区分通过玻璃的光和不通过玻璃的光,玻璃虽然是透明的,但也变得更容易看见了。

超快相机每秒拍摄1万亿帧的透明物体和现象

王说:“我们所做的是采用标准的相衬显微镜,这样就能提供非常快速的成像,这使我们能够在透明材料中成像超快的现象。”

系统的快速成像部分由王所说的无损编码压缩超快技术(LLE-CUP)组成。不像其他大多数超快视频成像技术,在重复事件的同时连续拍摄一系列图像,LLE-CUP系统只拍一张照片,捕捉在拍摄完成期间发生的所有动作。由于单拍比多拍要快得多,所以LLE-CUP能够捕捉运动,比如光本身的运动,这是非常快的,无法用更典型的相机技术来成像。

在这篇新论文中,王和他的同事们通过成像水中冲击波的传播和激光脉冲通过一块晶体材料的传播来证明pCUP的能力。

王说,这项技术虽然仍处于早期开发阶段,但最终可能会在许多领域得到应用,包括物理学、生物学或化学。

“当信号通过神经元传递时,我们希望看到神经纤维的微小扩张。如果我们有一个神经元网络,也许我们可以看到它们的实时交流。此外,他说,由于已知温度会改变相衬,该系统“可能能够成像火焰在燃烧室中是如何传播的。”

这篇描述pCUP的论文的标题是“一张照片中透明物体的皮秒级分辨率相敏成像”。

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