Камера 10 триллионов кадров в секунду

Камера 10 триллионов кадров в секунду

Все любят смотреть видеоролики, сделанные с помощью ускоренной съёмки, однако камеры, которые могут снимать в режиме слоу-мо, обычно ограничиваются скоростью в несколько тысяч кадров в секунду. Но как насчёт производительности в несколько триллионов кадров в секунду? Это кажется невероятным, однако такая камера теперь действительно существует — и это достаточно быстро, чтобы исследовать взаимодействие между светом и веществом на наноуровне.

Для этого потребовалось придумать совершенно новый метод съёмки, основанный на технологии сжатой сверхбыстрой фотографии (CUP). Такой способ позволяет осуществлять захват изображения на частоте 100 миллиардов кадров в секунду, но этого недостаточно для того, чтобы зарегистрировать то, что происходит со сверхбыстрыми лазерными импульсами в фемтосекундном масштабе. Тогда исследователи объединили CUP с технологией сбора данных, известной как преобразование Радона, и получили систему, которую назвали T-CUP.

При использовании фемтосекундной камеры качество изображения оставляет желать лучшего, поэтому учёные добавили ещё одну камеру, получающую статическое изображение. Совместив его с фемтосекундным изображением, канадцы добились скорости записи в невероятные 10 триллионов кадров в секунду. T-CUP фактически представляет собой фундаментальный сдвиг в науке, позволяя даже анализировать взаимодействие между светом и веществом.

Jinyang Liang et al. / Nature Light

Физики из США и Канады построили камеру, которая записывает электромагнитные волны со скоростью около 10 триллионов кадров в секунду, то есть позволяет различить события, разделенные промежутком около 100 фемтосекунд. Для этого ученые записывали плоские проекции трехмерного процесса, а затем решали задачу оптимизации и восстанавливали исходное изображение. Статья опубликована в Nature Light и находится в свободном доступе.

Большинство привычных для нас процессов происходят сравнительно медленно, так что мы можем легко заснять их с помощью обычной камеры, которая работает с частотой около 30–60 кадров в секунду. Однако некоторые процессы в физике и биологии требуют гораздо большего временно́го разрешения. В частности, чтобы увидеть «отрыв» электрона от атома или зарегистрировать движение световой волны, которая распространяется в веществе со скоростью порядка 200 тысяч километров в секунду, нужно использовать камеры, работающие с частотой более триллиона кадров в секунду. Несмотря на то, что такие камеры уже давно существуют, они имеют недостатки, которые сильно ограничивают область их применения.

Читайте также:  Экзамен на сертификат 1с

В настоящее время самый распространенный метод регистрации сверхбыстрых процессов спектроскопии основан на возбуждении образца с помощью лазера и последующем измерении его «отклика». Этот так называемые накачивающе-зондирующие измерения (pump-probe measurements). Несмотря на то, что этот способ позволяет достичь фемтосекундного разрешения по времени (10 15 кадров в секунду), он может работать только в том случае, если исследуемые процессы довольно точно воспроизводят сами себя во времени. Грубо говоря, при накачивающе-зондирующих измерениях «кино» снимается по следующей схеме. Сначала ученые «высвечивают» с помощью вспышки фемтосекундного лазера первый кадр процесса. Когда процесс завершится, исследователи запускают его снова и «высвечивают» второй кадр, задерживая вспышку на несколько фемтосекунд. Затем экспериментаторы повторяют эти действия еще много раз, а потом склеивают кадры. К сожалению, далеко не все процессы точно воспроизводят себя во времени — например, биологические процессы в основном протекают случайно. Кроме того, для повышения точности измерений оптическая система может быть так тонко настроена, что первый же импульс лазера изменит ее параметры, и воспроизвести процесс не удастся. В этих случаях накачивающе-зондирующие измерения выполнить невозможно.

С другой стороны, для наблюдений за сверхбыстрыми процессами можно использовать пространственно-временную двойственность уравнений электродинамики. Проще говоря, двойственность позволяет преобразовать временну́ю развертку импульса света в пространственную, а затем записать ее на условной фотопластинке. Чем раньше во времени расположен «кадр» процесса, тем ближе к началу фотопластинки будет находиться его изображение. На этом свойстве уравнений основаны щелевые камеры (streak camera), которые создают изображение с помощью электронов, выбиваемых импульсом света из фотокатода. Современные щелевые камеры позволяют записывать импульсы с частотой около триллиона кадров в секунду. Разумеется, такая камера способна записать не только повторяющиеся, но и единичные процессы. Тем не менее, качество изображений, создаваемых щелевой камерой, сравнительно невысоко, а потому физики пытаются увеличить ее временно́е и пространственное разрешение другими способами.

Читайте также:  Как вытащить батарейку cmos

Группа ученых под руководством Цзиньянь Ляна (Jinyang Liang) совместила щелевую камеру и сжатое считывание (compressed sensing) с помощью метода сжатой сверхбыстрой фотографии (compressed ultrafast photography) и научилась регистрировать процессы с частотой около 10 триллионов кадров в секунду. Для этого исследователи придерживались следующей схемы. Сначала физики собирали «сырые» данные о процессе — для этого разделили на две части пучок света, исходящий от процесса, и записали два его изображения. Изображение первого пучка записывалось напрямую двумерной матрицей, которая фактически производила двумерное преобразование Радона с фиксированным углом. Преобразование Радона R(s, α) — это интеграл от функции вдоль прямой, которая перпендикулярна вектору (cosα, sinα) и проходит на расстоянии s от начала координат. По сути своей преобразование Радона напоминает преобразование Фурье (в частности, оно обратимо). Второй пучок пропускался сквозь псевдослучайный двоичный паттерн (черно-белая пластинка на рисунке), сдвигался по времени, разворачивался щелевой камерой и записывался еще одной матрицей. Это изображение можно рассматривать как преобразование Радона с углом, который зависит от скорости сдвига щелевой камеры. Таким образом, ученые за один шаг записывали две двумерные проекции трехмерной динамической сцены (2 пространственных + 1 временно́е измерение). Наконец, физики восстанавливали трехмерное изображение исходного процесса из его проекций, решая задачу оптимизации, то есть минимизируя функционал от искомого распределения интенсивности при известных результатах его преобразования.

Схема записи изображения с помощью метода CUP

Замедленное видео всегда любопытно смотреть, а лучшие камеры для подобного рода задач обычно умеют снимать несколько тысяч кадров в секунду. Но теперь камера, разработанная исследователями из Caltech и INRS, оставляет самые лучшие решения далеко позади, имея возможность делать снимки с ошеломляющими 10 триллионами кадров в секунду — это достаточно быстро, чтобы исследовать взаимодействия между светом и веществом на наноуровне.

Читайте также:  Заявление на выдачу корпоративной сим карты

В прошлом году рекорд принадлежал шведской команде, которая добилась создания камеры с показателем в 5 трлн кадров/с, улучшив более раннее решение, способное делать 4,4 трлн кадров/с. Новая камера удваивает предыдущий рекорд, что может облегчить анализ происходящего в наномире с более высоким «временным» разрешением.

В новом методе съёмки команда начала со сжатой сверхбыстрой фотографии (CUP) — способа, которой способен осуществлять захват на частоте 100 млрд кадров/с. Это впечатляющий показатель, но его недостаточно, чтобы эффективно регистрировать то, что происходит со сверхбыстрыми лазерными импульсами в масштабе фемтосекунд. Фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды.

Поэтому команда учёных объединила технологию CUP со статической камерой и технологией сбора данных, известной как преобразование Радона — усовершенствованная система была названа T-CUP.

«Мы знали, что при использовании одной фемтосекундной камеры качество изображения будет ограниченным, — отметил один из ведущих авторов исследования Лихонг Ван (Lihong Wang). — Чтобы улучшить этот показатель, мы добавили ещё одну камеру, которая регистрирует статическое изображение. В сочетании с изображением, полученным фемтосекундной камерой, мы можем использовать так называемое преобразование Радона для получения высококачественных изображений при записи десяти триллионов кадров в секунду».

Ссылка на основную публикацию
Какой флаг самый красивый
Давно хотел запостить. Все как-то времени не было. 1. Union Jack (Великобритания) - для меня является самым красивым штандартом в...
Как установить тему на android
Не всем людям нравится однообразие. В связи с этим производители мобильных телефонов ещё в начале 2000-ых годов предоставили возможность установить...
Как установить убунту с флешки на ноутбук
Правильная установка Ubuntu с флешки обеспечит возможность работать на компьютере или ноутбуке в операционной системе, предусматривающей легальное бесплатное использование большинства...
Какой формат 3d подходит для телевизоров lg
Видео в формате 3D можно записать несколькими способами, для использования в разных проигрывателях, с разными технологиями воспроизведения. Существует несколько способов...
Adblock detector