Нові високошвидкісні камери знімають світловий імпульс

Можливі двовимірні зображення зі швидкістю до 100 мільярдів зображень в секунду

Записано новою камерою CUP: Одне світловий імпульс відбивається дзеркалом. © Гао та ін. / Природа
читати вголос

Настільки ж швидко, як і світло: американські дослідники розробили камеру, яка може навіть фіксувати окремі світлові імпульси під час польоту. За допомогою нової ультрашвидкісної технології можна створювати двовимірні зображення з частотою кадрів до 100 мільярдів зображень в секунду. З цим ви вступаєте в епоху, яка відкриває абсолютно нові уявлення, стверджують дослідники журналу "Природа".

Записано новою камерою CUP: одиничний світловий імпульс відображається дзеркалом © Gao et al. / Природа

Яскрава пляма підходить до тарілки, відскакує і відлітає під косим кутом. Ні, це відео не показує польоту гумової кулі, а єдиний пульс світла - зафіксовано новою швидкісною технологією камери. Лян Гао та його колеги з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі розробили їх на основі так званої смугової камери.

Стрічна камера: швидка, але одновимірна

У цьому методі тимчасово послідовні світлові імпульси перетворюються на просторову картину електронів. Ця закономірність відображає тимчасовий хід процесу, що дозволяє, наприклад, записати поширення світла.

Але смугові камери мають істотний недолік, як пояснюють дослідники: вони є одновимірним пристроєм запису. Таким чином, двовимірні ультракороткі події можуть бути зафіксовані лише шляхом вибірки повторного процесу практично по черзі. "У випадках, коли важко або неможливо повторити подію, наприклад оптичну турбулентність, ядерні вибухи або наднову, цей метод не підходить", - зазначили Гао та його колеги.

Стрічка з другим виміром

Для своєї техніки "Стислої ультрашвидкої фотографії" (CUP) дослідники доповнили смугову камеру з оптичним апаратом вгорі та оптимальним алгоритмом аналізу зображень нижче. Система лінз спрямовує світло від об'єкта до якогось цифрового дзеркала. Це перетворює сигнал у квазі-бінарний малюнок і знову відкидає його назад. дисплей

Промінь-розгалужувач тепер кидає цю картину на п'ятиміліметровий слот смугової камери. Там шаблон розкладається електричним полем за часом прибуття і зберігається на датчику зображення CCD. Тепер спеціальний алгоритм може реконструювати відображену з цієї інформації.

Світловий імпульс повітря і синтетична смола

Крім усього іншого, дослідники перевірили, що вся справа працює, приймаючи два одночасно випромінювані лазерні імпульси з камерою CUP, один з яких випромінюється повітрям, а другий через блок синтетичної смоли. "Як очікувалося, через різний показник заломлення обох матеріалів фотони були швидшими у повітрі, ніж у смолі", - повідомляють Гао та його колеги. На зображеннях попереду була видима світлова пляма, ніж на інших.

Частота кадрів камери досить висока, щоб записати рух одного імпульсу світла Ліхонг Ван

Ці зображення були створені дослідниками з тимчасовою роздільною здатністю камери 10 пікосекунд - це відповідає частоті кадрів близько 100 мільярдів зображень в секунду. У подальших випробуваннях дослідники сфотографували віддзеркалення одного лазерного імпульсу на дзеркалі та заломлення імпульсу під час потрапляння повітря в синтетичну смолу.

Можливі абсолютно нові уявлення

«Роблячи це, ми входимо в ra, що відкриває абсолютно нові уявлення, - каже керівник дослідження Ліхонг Ванг. Дослідники впевнені, що ця технологія камер зробить нові відкриття, особливо в науці. Якщо поєднати камеру CUP з мікроскопами або телескопами, то ультрашвидкі події в Ma st ben від клітинної органели до галактик можуть бути зафіксовані, як вони пояснюють.

"Якщо ми поєднуємо цю технологію з космічним телескопом Хаббла, наприклад, ми отримуємо високу просторову роздільну здатність Хаббла і високу тимчасову роздільну здатність CUP . За допомогою цієї комбінації ви просто повинні відкрити щось нове" - сказав Ван. (Природа, 2014; doi: 10.1038 / nature14005)

(Природа, 04.12.2014 - НВО)