世界上最快的相機：每秒可捕捉十萬億幀數據！
背景
當一項新技術的精度超越我們的表徵能力時，會發生什麼情況？
舉例來說，加拿大魁北克大學國立科學研究院（INRS）製造的激光器可以產生飛秒（10-15 秒）範圍內的超短脈衝，該脈衝短到不可見。
同樣，在之前的文章中，筆者也介紹過德國雷根斯堡大學與美國密歇根大學的科研人員們合作開發出一種可配置的超短飛秒激光脈衝。這項技術有望使得未來計算機的速度比現在的電子設備快十萬倍。
一種半導體晶體展示出形成超短飛秒激光脈衝的強大能力。（圖片來源：雷根斯堡大學 / 雷根斯堡大學）
INRS 教授、超高速成像專家 Jinyang Liang 稱，儘管某些測量方法可以測量飛秒激光脈衝，但是這些方法都比不上清晰的圖像。
創新
Jinyang Liang 教授及其同事們，在加州理工學院 Lihong Wang 領導下，開發出世界上最快的相機「T-CUP」，每秒鐘能捕捉十萬億（1013）幀數據。這種新型相機幾乎可以「凝固」時間，以極慢的動作來觀察現象，甚至是觀察光。
壓縮超快攝影系統（圖片來源：INRS）
技術
近年來，非線性光學與成像領域的創新成果相互結合，為採用高效的新方法去微觀分析生物學與物理學中的動力學現象，打開了大門。但是，為了挖掘這些方法的潛力，還需要在單次曝光過程中，以超短的時間解析度，去記錄實時圖像。
現有的成像技術，用超短激光脈衝進行測量，必須反重複多次。這樣適合某些類型的惰性樣本，但是卻不適合那些更脆弱的樣本。例如，激光雕刻的玻璃只能承受住單個激光脈衝，採集結果的時間小於一皮秒。在這種情況下，成像技術必須能實時捕捉整個過程。
壓縮超快攝影（CUP）是一個很好的起點。這個方法的處理速度接近每秒一千億幀，但是卻無法滿足集成飛秒激光器的具體要求。為了在這個概念基礎上進行改善，科學家們在飛秒條紋相機的基礎上，開發了新型 T-CUP 系統，而飛秒條紋相機也包含了X線斷層攝影術中所採用的數據採集類型。
T-CUP 工作原理（圖片來源：參考資料【2】）
T-CUP 原理圖（圖片來源：參考資料【2】）
T-CUP 的時間聚焦（圖片來源：參考資料【2】）
T-CUP 用於觀察激光脈衝的掃描、空間聚焦、反射和分裂（圖片來源：參考資料【2】）
Lihong Wang 表示：「我們知道，只用一個飛秒條紋相機，圖像質量將受到限制。因此，為了改善這一點，我們增加了另外一個相機以獲取靜態圖像。與飛秒條紋相機所採集的圖像相結合，我們採用所謂的『Radon 變換』來獲取高質量的圖像，每秒記錄十萬億幀。」
價值
T-CUP 創造了實時成像速度的世界記錄，它可以使得新一代的顯微鏡用於生物醫學、材料科學與其他領域。這種攝像頭代表了一個根本性的改變，使得在無與倫比的時間解析度下，分析光線與物質之間的交互，變得可能。
這種超高速相機首次使用，就取得了突破性進展，實時捕捉到了單個飛秒激光脈衝的時間聚焦。這個過程記錄在400飛秒時間間隔內所拍攝的25幀圖像中，而且詳細描述了光脈衝的形狀、強度和傾斜角。
這項研究的領導作者 Jinyang Liang 表示：「這本身就是一項成就。但是，我們已經看到將速度增至每秒千萬億（1015）幀的可能性。」這樣的速度必定能為人們無法察覺的光線與物質之間交互的秘密，提供新的見解。
關鍵字
光學、激光、相機、成像
參考資料
【1】http://www.inrs.ca/english/actualites/worlds-fastest-camera-freezes-time-10-trillion-frames-second
【2】Jinyang Liang, Liren Zhu, Lihong V. Wang.Single-shot real-time femtosecond imaging of temporal focusing. Light: Science & Applications, 2018; 7 (1) DOI: 10.1038/s41377-018-0044-7
【3】Jinyang Liang, Lihong V. Wang.Single-shot ultrafast optical imaging. Optica, 2018; 5 (9): 1113 DOI: 10.1364/OPTICA.5.001113
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