你的相機每秒可拍攝幾兆影格嗎?這個可以!

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

「快很好,但越快越好」是我們在操作許多設備時的基本思想。來看看採用閃光燈的底片相機攝影,其閃光速度可快至十萬分之一秒,這個計畫在1930年代就開始了,由美國麻省理工學院(MIT)教授Harold “Doc” Edgerton領軍…

「快很好,但越快越好」是我們在操作許多設備時的基本思想。來看看採用閃光燈的底片相機攝影,其閃光速度可快至十萬分之一秒,這個計畫在1930年代就開始了,由美國麻省理工學院(MIT)的Harold “Doc” Edgerton教授領軍。他的許多「定格(stop motion)」照片已成為人們熟知的圖示,其中包括圖1所示的照片,還有數百張其他照片發佈在專門的網路畫廊。Edgerton最初研究的是單拍功能,後來又開發了多拍系統,

可以拍攝一系列閃光間隔一樣的影像。這一成果著實令人驚訝,已成為跨學科科學研究的基礎。

圖1 Harold “Doc” Edgerton使用閃光燈拍攝的許多影像中的一張。其他比這張「引人注目」的照片更注重科學研究。(圖片來源:Edgerton Digital Collections)

美國加州理工學院(California Institute of Technology)的一個研究團隊最近開發了一個新系統,能以每秒70兆影格(frame)的速度拍攝影像,我很想知道如果Edgerton見到這個系統會說什麼。與多影格影像拍攝相機不同,該系統不只是對1個或幾個影格執行操作,而是對多達1,000個影格連續執行操作。一些連續拍攝影像的系統要求物件是重複性事件,每個週期拍攝一個影像,週期時移(time shift)很小但很精確。新系統則與之不同,它可以同時滿足單拍事件的影格率和影格數要求,這是其主要優點。研究人員認為,不可思議的拍攝速度對於快速應用場景非常有用,如超短光傳播、分子的輻射衰減、孤子形成、衝擊波傳播、核聚變、擴散介質中的光子傳輸,以及凝聚態的形態瞬變。

該影像拍攝系統由加州理工學院醫學工程系與電氣工程系的Bren特聘教授Lihong Wang領導的團隊開發,結合了類比、數位與電光技術,令人難忘。Wang將這一技術稱為壓縮超快光譜攝影(CUSP),它將發射飛秒脈衝雷射的雷射器與光學元件及相機結合在一起,與傳統的類比(底片)或數位技術完全不同。該系統利用先進的電光和光學物理原理,同時考慮了光的量子特性及其相互作用,如圖2所示。在照明部分,一對分束器和一個玻璃棒將飛秒脈衝轉換成時間線性的啁啾(Chirp)脈衝序列,相鄰子脈衝的時間間隔為tsp,可根據實驗進行調整。得到的影像既包括水平方向光閘的光譜色散,也包括垂直方向條紋相機的暫態剪切。

圖2 實現70兆影格成像的主動CUSP系統原理圖:(a)完整的系統示意圖;(b)頻譜色散方案的詳細圖示(黑色虛線框);(c)s-View中原始CUSP影像的組成。途中縮寫:BS是分束器;DMD為數位微鏡元件;G指衍射光閘;L為鏡頭;M為鏡子。(圖片來源:Caltech)

系統的一個關鍵元件是條紋相機,它將幾乎已經過時的老式陰極射線管(CRT)的某些功能與基於CCD的成像器結合起來,如圖3所示。光學元件可將單個飛秒雷射脈衝分解成更短的脈衝序列,每一個脈衝都能在相機中產生一個影像。隨脈衝到達的光子會產生相應的光電子,掃描電極將垂直排列這些光電子,並根據其到達的時間先後將影像分開。如圖3所示,掃描電極之間的紅點表示在不同時間到達的加速光電子,其中上面的光電子比下面的光電子到達時間早。在條紋模式下,掃描電壓將被施加到掃描電極,聚焦模式下則不施加掃描電壓。

圖3 條紋相機原理圖,到達的光子脈衝所產生的電子按光子脈衝到達的時間先後排列。(圖片來源:加州理工學院)

研究人員對系統工作原理所作的「高階」描述,聽起來像是出自電影《星艦迷航記(Star Trek)》或《迷離境界(The Twilight Zone)》:「它在與時間剪切正交的方向採用頻譜色散,突破了速度的限制,並擴展到時譜壓縮。」雖然前面提到的每種技術都已在使用,但是將它們結合在一起顯然極具創新,而且理論上比實踐中更容易實現。

我並不打算對該系統的工作原理做全面總結,因為研究人員已在《Nature Communications》上發表了深入易懂的9頁學術論文「Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second」,這篇論文更加專業和權威。他們還提供了40頁的補充資訊,增加了一些設置細節,提供了分析物理現象及錯誤源的複雜數學計算,還有相關的操作視訊。(毫不奇怪的是,這一專案是由美國國家衛生研究院部分資助。)

影像拍攝速度提升至超過兆影格/1,000影格,這確實令人驚喜,尤其引人注目的是,這一成果的獲得是因為將電子、光學、雷射、成像CCD和數位訊號處理等截然不同的技術結合起來,形成了一個相互支援的結構。研究人員將「筒倉(silos)」(這個詞讓人有點審美疲勞了)分解後設計了一個系統,不是這個系統比各部分之和要大,而是不同的部分已經組成一個全新的系統,就像將氧氣和氫氣結合得到水,但水與氧氣和氫氣已完全不同了。

(參考原文:Can your camera capture trillions of frames per second? This one can.,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年8月號雜誌

 

 

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