Сверхбыстрая 3D Камера (100 Млрд Кадров в Сек) видит движение света

*****

Статья

*****

N.B. Успехи в создании научных супер-сверхбыстрых камер просто поражают.

Камеры, которые используются при таких скоростях съёмки это полосовая камера и ПЗС-Камера.

***

Полосовая камера - Streak camera Принцип работы стрик-камеры Полоса камера представляет собой инструмент для измерения изменения в импульсе световой интенсивности со временем. Они используются для измерения длительности импульса некоторых сверхбыстрых лазерных систем, а также для таких приложений, как спектроскопия с временным разрешением и лидары . 

*** 

ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью»), или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «charge-coupled device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.
***

N.B. Сейчас уже самой быстрой в мире камерой считается та, которая может снимать до 70 триллионов кадров в секунду  и это не предел :)

Визуализация в реальном времени временной фокусировки на фемтосекундном лазерном импульсе со скоростью съемки 2,5 триллиона кадров в секунду

Так выглядит установка Вана в Калтехе.

Сверхбыстрая 3D Камера (100 Млрд Кадров в Сек) видит движение света

Сверхбыстрый лазерный луч камеры
Трехмерное видео, демонстрирующее импульс лазерного излучения, проходящий через среду, рассеивающую лазер, и отражающийся от отражающих поверхностей. Предоставлено: Caltech

В своем стремлении представить миру все более быстрые камеры Лихонг Ван из Калифорнийского технологического института разработал технологию, которая может достигать невероятной скорости в 70 триллионов кадров в секунду, достаточно быстрой, чтобы увидеть движение света. Однако, как и камера в вашем мобильном телефоне, она может создавать только плоские изображения.
Теперь лаборатория Вана сделала еще один шаг вперед, создав камеру, которая не только записывает видео с невероятно высокой скоростью, но и делает это в трех измерениях. Ван, профессор медицинской инженерии и электротехники, Брен на факультете медицинской инженерии, Эндрю и Пегги Чернг, описывают устройство в новой статье в журнале Nature Communications.

Новая камера, использующая ту же базовую технологию, что и другие камеры Wang для сжатой сверхбыстрой фотосъемки (CUP), способна снимать до 100 миллиардов кадров в секунду. Это достаточно быстро, чтобы сделать 10 миллиардов снимков, больше изображений, чем все население земли, за то время, которое вам требуется, чтобы моргнуть глазом.
Ван называет новую итерацию “однократной стереополяриметрической сжатой сверхбыстрой фотографией”, или SP-CUP.
В технологии CUP все кадры видео снимаются за одно действие без повторения события. Это делает камеру CUP чрезвычайно быстрой (хорошая камера мобильного телефона может делать 60 кадров в секунду). Ван добавил третье измерение к этому сверхбыстрому изображению, заставив камеру “видеть” больше так, как это делают люди.

Когда человек смотрит на окружающий мир, он воспринимает, что некоторые объекты находятся ближе к нему, а некоторые - дальше. Такое восприятие глубины возможно благодаря нашим двум глазам, каждый из которых наблюдает за объектами и их окружением под немного другим углом. Информация из этих двух изображений объединяется мозгом в единое трехмерное изображение.
По словам Вана, камера SP-CUP работает практически таким же образом.

Камера теперь стереоскопическая, - говорит он. 

У нас есть один объектив, но он функционирует как две половинки, которые обеспечивают два вида со смещением. Два канала имитируют наши глаза.

Точно так же, как наш мозг обрабатывает сигналы, которые он получает от наших глаз, компьютер, который управляет камерой SP-CUP, обрабатывает данные с этих двух каналов в один трехмерный фильм.

SP-CUP также обладает еще одним новшеством, которым не обладает ни один человек: способностью видеть поляризацию световых волн.
Поляризация света относится к направлению, в котором световые волны вибрируют при своем распространении. Рассмотрим гитарную струну. Если струну потянуть вверх (скажем, пальцем), а затем отпустить, струна будет вибрировать вертикально. Если палец потянет ее вбок, струна будет вибрировать горизонтально. Обычный свет имеет волны, которые вибрируют во всех направлениях. Поляризованный свет, однако, был изменен таким образом, что все его волны вибрируют в одном направлении. Это может происходить естественным путем, например, когда свет отражается от поверхности, или в результате искусственных манипуляций, как это происходит с поляризационными фильтрами.
Хотя наши глаза не могут непосредственно определять поляризацию света, это явление используется в самых разных областях применения: от жидкокристаллических экранов до поляризованных солнцезащитных очков и объективов фотоаппаратов в оптике и устройств, которые обнаруживают скрытые напряжения в материалах и трехмерные конфигурации молекул.
Ван говорит, что сочетание высокоскоростных трехмерных изображений SP-CUP и использования поляризационной информации делает его мощным инструментом, который может быть применим к широкому спектру научных проблем. В частности, он надеется, что это поможет исследователям лучше понять физику сонолюминесценции, явления, при котором звуковые волны создают крошечные пузырьки в воде или других жидкостях. Поскольку пузырьки быстро разрушаются после их образования, они испускают вспышку света.

Некоторые люди считают это одной из величайших загадок в физике”, - говорит он. 

Когда пузырь сжимается, его внутренняя часть достигает такой высокой температуры, что генерирует свет. Процесс, благодаря которому это происходит, очень загадочен, потому что все происходит так быстро, и нам интересно, сможет ли наша камера помочь нам разобраться в этом.

(Ссылка: “Однократная стереополяриметрическая сжатая сверхбыстрая фотография для наблюдения со скоростью света высокомерных оптических переходных процессов с пикосекундным разрешением”, Цзиньян Лян, Пэн Ван, Лирен Чжу и Лихонг В. Ван, 16 октября 2020 года, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-020-19065-5)

***

N.B. Видео по теме :

***

***

N.B. Друзья прислали в догонку:

***

***