Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе создали, по их утверждению, самую быструю 2D-камеру в мире, которая способна вести съёмку со скоростью до сотни миллиардов кадров в секунду. С помощью техники под названием сжатая сверхбыстрая фотография (CUP) у исследователей уже получалось запечатлеть ряд свойств распространения света и явления, которые раздвигают временные границы фундаментальной физики.
Эта камера не выглядит как аппарат компании Kodak или Canon.Она представляет собой ряд устройств для работы с мощными микроскопами и телескопами, способных захватить сверхбыстрые природные и физические явления. После того, как исходные данныесобраны, фактические изображения собираются на компьютере.
Другие камеры, используемые в физических лабораториях других стран, также претендуют на звание самых высокоскоростных (например, система STAMP, разработанная специалистами Токийского университета и работающая со скоростью 4,4 триллиона кадров в секунду). Но данная модель достигает невероятной скорости съёмки без помощи последовательного освещения.
При последовательном освещении ультракороткий лазерный импульс разделяются на несколько отдельных импульсов, каждый из которых соответствует различным диапазонам спектра. Импульсы освещают целевой объект последовательными вспышками, так что картинка захватывается за счёт стробоскопического эффекта.
В результате система CUP не просто захватывает ряд быстро сменяющихся картинок, как при высокоскоростной съёмке, но и собирает информацию о пространственных и временных координатах люминесцентных объектов.
Чтобы продемонстрировать возможности системы, исследователи засняли четыре переходных состояния одного лазерного импульса, а именно – отражение лазерного импульса, преломление, происходящее быстрее, чем скорость света, распространение, и гонку фотонов в двух средах.
"Впервые люди могут увидеть световые импульсы в буквальном смысле на лету, – говорит руководитель исследовательской группы профессор Лихун Ван (Lihong Wang). – Эта техника увеличивает частоту кадров изображений на несколько порядков и открывает новые возможности. Мы надеемся, что CUP позволит осуществить новые научные открытия – те, которых мы даже не можем себе представить".
Система CUP базируется на существующей технологии, известной как фотохронограф, измеряющей интенсивность светового импульса с течением времени. Однако предыдущие камеры записывали происходящее лишь в одном измерении, в то время как Ван и его команда создали устройство, осуществляющее съёмку в двух измерениях, настроив новые алгоритмы управления и добавив некоторые дополнительные компоненты.
Чтобы создать изображение в формате 2D, объектив системы захватывает фотоны, испускаемые объектом. Затем он отправляет их через трубку в цифровое микрозеркальное устройство (DMD), которое, при размерах в 15 миллиметров в диаметре, содержит около одного миллиона микрозеркал (квадраты со стороной 7 микрометров).
Затем эти микрозеркала используются для кодирования изображения, они отражают фотоны в светоделитель, который выпускает их на фотохронограф. Там фотоны преобразуются в электроны (на двух электродах они делятся для конвертации времени в расстояние). Наконец, все полученные данные выводятся на ПЗС, чтобы захватить информацию и передать её для дальнейшего анализа компьютеру.
Весь этот сложный процесс занимает всего 5 наносекунд.
Новая технология формирования изображений, вероятно, найдёт применение в биомедицине, где будет использована в качестве томографа флуоресцентных белков, или в астрономии, где сверхбыстрый захват люминесцирующих объектов с высоким разрешением особенно важен.
Подробности разработки описаны в журнале Nature.
