Высокоскоростная видеокамера Trillion FPS Camera: триллион кадров в секунду

Сотрудники лаборатории Camera Culture при содействии Bawendi Group во главе с Рамешом Раскаром (Ramesh Raskar) из Массачусетского технологического института построили самую быструю камеру в мире. Она способна запечатлеть прохождение лучика солнца сквозь стеклянную бутылку подобно тому, как ее предшественницы фиксировали прохождение пули сквозь яблоко.

Свою разработку ученые назвали Trillion FPS Camera. Судя из названия, камера должна выполнять триллион кадров в секунду, но на самом деле их количество составляет 0,58 триллиона. Эффективное время экспозиции равно 1,71 пикосекунды, вот как-то так. Но машина все равно удивительная, и за это гиперболу авторам нужно простить.

Кто еще сомневается, вспомните предыдущую систему фиксации быстротечных событий, скорость съемки которой составляла чуть больше 6 млн. кадров в секунду. Есть, конечно, еще одна технология замедленной съемки light-in-flight holography на основе голографии. Этим методом можно было запечатлеть 100 млрд. кадров в секунду, но работает он, увы, только с когерентным светом. Когерентные лучи теряют свою когерентность, проходя сквозь какие-либо объекты, а потому метод применим далеко не во всех условиях.

Раскар разработал технологию, позволяющую работать с обычным дневным светом. В качестве подсветки используется лазер, но дело не в когерентности исходного пучка, а в потребности в ультракоротких вспышках.

 

Снимки сделанные камерой Trillion FPS Camera

Снимки сделанные камерой Trillion FPS Camera

Камера дает двухмерное изображение: время и пространство, расположенное вдоль щели. Чтобы зафиксировать сцену целиком, было использовано медленно поворачивающееся зеркало, которое устремляло поле зрения щелевой камеры на новые линии. Чтобы получить материал для одного небольшого ролика, пробег волнового фронта вдоль сцены повторяется миллионы раз. Для правильного взаиморасположения в кадрах световых полос время импульса лазера подсветки должно быть точно синхронизировано: ширина импульса несколько фемтосекунд при частоте следования 13 наносекунд. Контролировать этот процесс должны детекторы, воспринимающие свет, отраженный от объектов, с временным разрешением в одну пикосекунду. Именно в сложной электронике и оптике и заключается успех Trillion FPS Camera.

Снимаемые объекты должны оставаться неподвижными: картина, по которой прокатываются световые импульсы, не изменяется. Это необходимо, чтобы в течение нескольких минут вести съемку задуманной сцены. Сканирующее зеркало успевает снять массив узких линий в поле зрения камеры. Если сравнивать луч с пулей, пронизывающей яблоко, то яблоко в прямом смысле расстреливают пулеметной очередью лучей, чтобы зафиксировать полет одного единственного лучика в результирующем ролике. То есть только одна попытка из миллиона оказывается удачной.

Полученную информацию (координаты фотонов и время фиксации их в детекторе) обрабатывает компьютер. Математические алгоритмы, разработанные Рамешом и его коллегами, позволяют из огромного информационного массива создать ролик всего на 480 кадров. Фильм разворачивает событие, происходящее за промежуток времени 0,8 наносекунды. За один кадр луч успевает пройти расстояние около 5 мм, а за один фильм – примерно 25 мм.

Один из авторов системы, Андреас Фельтен (Andreas Velten), называет ее ультимативной. Он говорит, что она обладает самым быстрым взглядом во Вселенной. Создателей самой быстрой камеры в мире вдохновили съемки летящих пуль, которые впервые были выполнены десятилетия тому. В те годы остановить мгновение можно было с помощью фотовспышки.

 

Снимки сделанные камерой замедленной съёмки Trillion FPS Camera

Снимки сделанные камерой замедленной съёмки Trillion FPS Camera

Новую технологию замедленной съемки собираются использовать для анализа физической структуры биологических тканей или конструкционных материалов. Это работает как УЗИ, только вместо небезобидного ультразвука – свет. Руководитель проекта, Рамеш, предлагает использовать камеру на триллион кадров для изучения быстротекущих процессов. Такая камера может показать обычные явления с необычной стороны.

Но сегодня Trillion FPS Camera находится только на экспериментальном этапе. Минусом системы является ее дороговизна. Стрик-камера и импульсный лазер обошлись в $250 тысяч. Исследователи с оптимизмом смотрят в будущее, ожидая, что технический прогресс позволит минимизировать оптические составляющие, и оптимизированная скоростная камера будет стоить дешевле.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>