Учёные создали камеру счастотой триллион кадров всекунду
Самая стремительная камера в мире способна рассмотреть продвижение ультракороткого импульса света через однолитровую бутылку, подобно тому как простые скоростные камеры в подробностях снимают пролёт пули через яблоко.
Неповторимую совокупность выстроили Рамеш Раскар (Ramesh Raskar) из Массачусетского технологического университета и сотрудники его лаборатории Camera Culture при участии группы Бавенди (Bawendi Group).
Раскар известен нам по целому последовательности впечатляющих опытов. Достаточно отыскать в памяти камеру, снимающую за углом.
Она, кстати, есть близкой родственницей новинки – у них имеется неспециализированные элементы и схожи приёмы работы со светом.
Для начала, но, налюбуемся, как сферический волновой фронт от импульсного лазера прокатывается по выставленному физиками натюрморту. Каждое такое колечко пересекает сцену со скоростью света, но в замедленном ролике оно просто ползёт.
Экспериментаторы именуют новую совокупность Trillion FPS Camera. Действительно, на деле действенное время экспозиции каждого кадра тут образовывает 1,71 пикосекунды (триллионных долей секунды), так что аппарат отображает продвижение света по сцене с частотой съёмки «всего» в 0,58 триллиона кадров в секунду.
Но округление авторам необычной автомобили в полной мере возможно забыть обиду.
Для сравнения, прошлая научная установка для фиксации быстротечных событий выдавала более шести миллионов кадров в секунду.
Увидим, но, что ещё один способ замедленной съёмки, базирующийся на голографии (light-in-flight holography), разрешает достигнуть большего темпа — целых 100 миллиардов кадров в секунду. Увы, эта разработка пригодна вовсе не для любых обстановок, поскольку трудится лишь с когерентным светом.
А его лучи теряют согласованность сразу же, когда проходят через различные объекты, и потому способ отказывает.
В методе съёмки Раскара свет возможно самым простым, а лазер в роли подсветки тут используется не из-за когерентности исходного пучка, а из-за необходимости в ультракоротких вспышках.
Новая совокупность способна фиксировать свет, не только проходящий через прозрачную цель, но и отражённый от непрозрачного тела. Видео запечатлевает продвижение световых волн по поверхности объекта.
Для обнаружения тонкостей их сотрудничества используется цветовое кодирование времени прихода разных импульсов (фото MIT Media Lab, Camera Culture).
В качестве базы для новой совокупности учёные применяли стрик-камеру (streak camera). В таком устройстве лучи света попадают на фотокатод через узкую щель.
Выбитые электроны за счёт быстроменяющегося электрического поля отклоняются в направлении, перпендикулярном щели. Потом они летят к детектору.
Таким методом временная развёртка маленького импульса света преобразовывается в пространственную. Прибывшие чуть раньше фотоны отражаются в детекторе в пара другой позиции, чем частицы прилетевшие чуть позднее.
Рекордная камера и подготовленная для съёмки сцена (фото MIT Media Lab, Camera Culture).
Изображения, добываемые посредством таковой камеры, получаются двумерные, передаёт университет, но наряду с этим одно измерение в кадре есть пространственным (оно расположено на протяжении щели), а второе – это время.
Дабы зафиксировать сцену всецело, изобретатели применили медлительно поворачивающееся зеркало, направляющее взор щелевой камеры на новые и новые линии.
Для съёмки целого ролика пробег волнового фронта на протяжении сцены направляться повторить миллионы раз. А дабы обоюдное размещение световых полос в кадрах было верным, нужно совершенно верно синхронизировать импульсы лазера подсветки (частота следования – 13 наносекунд, ширина импульса – пара фемтосекунд) и срабатывание детекторов.
Последние принимают отражённый от объектов свет с временным разрешением приблизительно в пикосекунду.
Сложная оптика и электроника, нужная для синхронизации работы всех частей комплекса, именно составляют секрет «триллионной камеры». Но не единственный.
Принципиально важно, что снимаемые объекты остаются неподвижными, так что картина прокатывающихся по ним световых импульсов – неизменно одинаковая. Это и разрешает вести съёмку одной задуманной сцены в течение нескольких мин. (за это время сканирующее зеркало снимает множество узких линий в поле зрения камеры).
В случае если возвратиться к аналогии с яблоком и пулей, то в этом случае учёные как будто бы приобретают в финальном ролике один её пролёт по экрану по окончании миллионов попыток – яблоко « из пулемёта».
В зависимости от метода обработки массива данных исследователи смогут создавать разные варианты видео либо фотографий объектов (фотографии Di Wu, Andreas Velten, MIT Media Lab, Camera Culture).
Предстоящая обработка большого массива информации (время и расположение фотонов их фиксации в детекторе) отдаётся на откуп компьютеру. Придуманные Рамешом и его сотрудниками математические методы разрешают организовать из таких данных результирующий ролик, состоящий всего из 480 кадров.
Легко посчитать, что за целый фильм (он показывает нам событие, разворачивающееся в течении 0,8 наносекунды) световой луч успевает пробежать по сцене приблизительно 25 сантиметров, а за один кадр – приблизительно полмиллиметра.
Андреас Фельтен (Andreas Velten), один из авторов данной совокупности, именует её «ультимативной», дескать, «во Вселенной нет ничего со столь стремительным взором, как у данной камеры».
Её создатели кроме этого подчёркивают, что вдохновлялись съёмками летящих пуль, в первый раз совершённых десятилетия назад. Тогда ключом к остановке мгновения были фотовспышки, очевидно, дешёвые в те годы.
Нынешние новаторы в целом применяют подобный подход, лишь сейчас вспышки света стали в миллиарды раз меньше. Раскар именует такие импульсы «световыми пулями».
Особенно эффектно они смотрятся в упомянутом сначала опыте с бутылкой.
Бутылка, снятая простым фотоаппаратом и она же, замеченная камерой Trillion FPS.
Прокатывающийся маленький импульс расцвечен компьютером (фото MIT Media Lab, Camera Culture).
Вероятные приложения разработки включают в себя анализ физической структуры конструкционных материалов либо биологических тканей. «Это как УЗИ со светом», — поясняет Раскар.
Кроме этого эта техника способна раскрыть новые грани быстротекущих физических процессов. А ещё камеру на триллион кадров в секунду Рамеш предлагает применять для съёмок образовательных фильмов, показывающих привычные вещи с необыкновенной стороны.
Но пока триллион кадров – это только опыт. Притом дорогостоящий.
Лишь импульсный лазер и ультрабыстрая стрик-камера, использованные в опыте, в сумме стоят $250 тысяч. Тут Раскар рассчитывает на технический прогресс, что разрешит в будущем сократить размер оптических компонентов подобной системы и опустить их цену.
Подробности опытов Рамеша и сотрудников возможно отыскать в статье в OSA Technical Digest и материале, подготовленном для выставки Siggraph 2011.
