世界上最快的相机：每秒可捕捉十万亿帧数据！

导读

近日，加拿大魁北克大学国立科学研究院的研究人员开发出世界上最快的相机“T-CUP”，每秒钟能捕捉十万亿（10¹³）帧数据。这种新型相机几乎可以“凝固”时间，以极慢的动作来观察现象，甚至是观察光。

背景

当一项新技术的精度超越我们的表征能力时，会发生什么情况？

举例来说，加拿大魁北克大学国立科学研究院（INRS）制造的激光器可以产生飞秒（10^-15 秒）范围内的超短脉冲，该脉冲短到不可见。

同样，在之前的文章中，笔者也介绍过德国雷根斯堡大学与美国密歇根大学的科研人员们合作开发出一种可配置的超短飞秒激光脉冲。这项技术有望使得未来计算机的速度比现在的电子设备快十万倍。

一种半导体晶体展示出形成超短飞秒激光脉冲的强大能力。（图片来源：雷根斯堡大学 / 雷根斯堡大学）

INRS 教授、超高速成像专家 Jinyang Liang 称，尽管某些测量方法可以测量飞秒激光脉冲，但是这些方法都比不上清晰的图像。

创新

Jinyang Liang 教授及其同事们，在加州理工学院 Lihong Wang 领导下，开发出世界上最快的相机“T-CUP”，每秒钟能捕捉十万亿（10¹³）帧数据。这种新型相机几乎可以“凝固”时间，以极慢的动作来观察现象，甚至是观察光。

压缩超快摄影系统（图片来源：INRS）

技术

近年来，非线性光学与成像领域的创新成果相互结合，为采用高效的新方法去微观分析生物学与物理学中的动力学现象，打开了大门。但是，为了挖掘这些方法的潜力，还需要在单次曝光过程中，以超短的时间分辨率，去记录实时图像。

现有的成像技术，用超短激光脉冲进行测量，必须反重复多次。这样适合某些类型的惰性样本，但是却不适合那些更脆弱的样本。例如，激光雕刻的玻璃只能承受住单个激光脉冲，采集结果的时间小于一皮秒。在这种情况下，成像技术必须能实时捕捉整个过程。

压缩超快摄影（CUP）是一个很好的起点。这个方法的处理速度接近每秒一千亿帧，但是却无法满足集成飞秒激光器的具体要求。为了在这个概念基础上进行改善，科学家们在飞秒条纹相机的基础上，开发了新型 T-CUP 系统，而飞秒条纹相机也包含了X线断层摄影术中所采用的数据采集类型。

T-CUP 用于观察激光脉冲的扫描、空间聚焦、反射和分裂（图片来源：参考资料【2】）

Lihong Wang 表示：“我们知道，只用一个飞秒条纹相机，图像质量将受到限制。因此，为了改善这一点，我们增加了另外一个相机以获取静态图像。与飞秒条纹相机所采集的图像相结合，我们采用所谓的‘Radon 变换’来获取高质量的图像，每秒记录十万亿帧。”

价值

T-CUP 创造了实时成像速度的世界记录，它可以使得新一代的显微镜用于生物医学、材料科学与其他领域。这种摄像头代表了一个根本性的改变，使得在无与伦比的时间分辨率下，分析光线与物质之间的交互，变得可能。

这种超高速相机首次使用，就取得了突破性进展，实时捕捉到了单个飞秒激光脉冲的时间聚焦。这个过程记录在400飞秒时间间隔内所拍摄的25帧图像中，而且详细描述了光脉冲的形状、强度和倾斜角。

这项研究的领导作者 Jinyang Liang 表示：“这本身就是一项成就。但是，我们已经看到将速度增至每秒千万亿（10

关键字

光学、激光、相机、成像

【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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