全球最快相機(jī)有多快？

今年 4 月，美國(guó)國(guó)家工程院院士、加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系與電子工程系 Bren 講席教授汪立宏及其團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出每秒高達(dá) 70 萬(wàn)億幀的拍照系統(tǒng)。

每秒 70 萬(wàn)億幀是一個(gè)什么概念？快到足以捕捉傳播中的光波。而目前最好的手機(jī)攝像頭僅能實(shí)現(xiàn)每秒記錄 1000 幀以下的慢動(dòng)作。

研究人員表示，這種超快速相機(jī)或?qū)⒃谏茖W(xué)領(lǐng)域以及各種各樣的極快現(xiàn)象（如超短光傳播、波傳播、核聚變等），可以通過(guò)探測(cè)超快的基礎(chǔ)物理世界來(lái)幫助打造更小、更靈敏的電子產(chǎn)品。

但有個(gè)問(wèn)題，這種超快速相機(jī)就像大部分人手機(jī)上的攝像頭一樣，只能產(chǎn)生平面圖像。有沒(méi)有一種速度極快、又能拍攝 3D 照片或視頻的相機(jī)？

近日，汪立宏及其團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域再次取得突破，新型超快速相機(jī)可以通過(guò)模仿人眼拍攝 3D 視頻，速度高達(dá)每秒 1000 億幀。相關(guān)研究論文已于 10 月 16 日在線發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上。

這種新型超快速相機(jī)與汪立宏此前研發(fā)的其他壓縮超快攝影（compressed ultrafast photography，CUP）相機(jī)使用相同的基礎(chǔ)技術(shù)，在你一眨眼的時(shí)間內(nèi)，就足以拍下 100 億張照片，比全世界人口的數(shù)量還要多。汪立宏將新一代超快速相機(jī)背后的技術(shù)稱(chēng)為 SP－CUP（single－shot stereo－polarimetric compressed ultrafast photography）。

在 CUP 技術(shù)中，視頻的所有幀都被捕捉在一個(gè)動(dòng)作中，而不會(huì)重復(fù)該事件。這使得 CUP 相機(jī)的拍攝速度非常快。汪立宏通過(guò)讓相機(jī)像人一樣 “看”，在原來(lái) CUP 相機(jī)的基礎(chǔ)上增加了另一個(gè)維度。

圖｜SP－CUP 系統(tǒng)原理圖

當(dāng)一個(gè)人看他們周?chē)氖澜鐣r(shí)，他們會(huì)感覺(jué)到有些物體離他們近，有些物體離他們遠(yuǎn)，之所以會(huì)這樣，是因?yàn)槲覀兊拿恐谎劬τ^察物體及其周?chē)慕嵌嚷杂胁煌瑏?lái)自兩只眼睛觀察到的信息可以被大腦組合成一幅 3D 圖像。 汪立宏表示，SP－CUP 相機(jī)的工作原理基本相同。“現(xiàn)在的相機(jī)是立體的，我們有一個(gè)鏡頭，但它模仿我們的眼睛，提供了兩種視角的偏移。” 就像大腦處理從眼睛接收到的信號(hào)一樣，運(yùn)行 SP－CUP 相機(jī)的計(jì)算機(jī)可以將兩個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)處理成一個(gè) 3D 視頻。

圖｜3D 視頻顯示激光脈沖穿過(guò)激光散射介質(zhì)并從反射表面反射回來(lái)

此外，SP－CUP 還具有另一項(xiàng)人類(lèi)沒(méi)有的功能：可以看到光波的偏振。

光的偏振是指光波在傳播過(guò)程中振動(dòng)的方向。以吉他弦為例，如果弦向上拉（比方說(shuō)，用手指拉），然后松開(kāi)，繩子就會(huì)垂直振動(dòng)；如果手指橫向拉弦，弦就會(huì)水平振動(dòng)。普通光線具有向各個(gè)方向振動(dòng)的波。然而，偏振光被改變了，所以它的波都朝著同一個(gè)方向振動(dòng)。這可以通過(guò)自然的方式發(fā)生，比如光線從表面反射，或者是人工操作的結(jié)果，比如偏振濾鏡。

雖然我們的眼睛無(wú)法直接探測(cè)光的偏振，但這一現(xiàn)象已被廣泛應(yīng)用：從液晶顯示屏到偏光太陽(yáng)鏡和光學(xué)相機(jī)鏡頭，再到探測(cè)材料中隱藏的應(yīng)力和分子的三維構(gòu)型的設(shè)備。汪立宏認(rèn)為，SP－CUP 的高速 3D 圖像和偏振信息的使用使它成為一個(gè)強(qiáng)大的工具，可能適用于各種各樣的科學(xué)問(wèn)題。

特別是，他希望它能幫助研究人員更好地理解聲致發(fā)光的物理原理。聲致發(fā)光是一種聲波在水或其他液體中產(chǎn)生微小氣泡的現(xiàn)象，當(dāng)氣泡形成后迅速坍塌時(shí)，它們會(huì)發(fā)出一束光。

“有些人認(rèn)為這是物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一，當(dāng)一個(gè)氣泡坍縮時(shí)，它的內(nèi)部會(huì)達(dá)到很高的溫度，以至于會(huì)發(fā)光。這一切發(fā)生的過(guò)程非常神秘，因?yàn)橐磺卸及l(fā)生得太快了，我們想知道我們的相機(jī)能否幫助我們弄清這一點(diǎn)。” 汪立宏說(shuō)。

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