全球最快相机诞生！一秒“眨眼”10万亿次 连光的慢动作都可以成功捕获

美国加州理工学院的科学家们近日宣布，已开发出可能是世界上最快的相机T-CUP，它可以每秒捕获10万亿帧，这使得“时间冻结”和在极慢的运动中捕获、观察光线成为可能。

（图源：INRS）

该研究与10月11日发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）杂志上。研究表明，基于飞秒条纹相机的新系统采用了数据收集类别，这类数据收集主要用于层析成像等应用。

世界上最快的相机T-CUP

这台创造实时成像速度的世界纪录，被称为T-CUP（压缩超快速摄影）的相机，可以为生物医学、材料科学和其他应用的新一代显微镜提供动力。

该相机带来了一次里程碑式的突破，靠着无与伦比的瞬间分辨率分析光与物质之间的相互作用，首次成为了可能。

T-CUP相机通过实时捕捉单个飞秒激光脉冲的瞬间聚焦，创造了一个新的“速度奇迹”。

图：飞秒激光脉冲在2.5 Tfps时间聚焦形成的实时成像

整个过程中，相机以400飞秒间隔拍摄的25帧中，并详细说明了光脉冲的形状、强度和倾斜角度。

“这本身就是一项成就，”INRS（法国一所大学）的超快成像专家Jinyang Liang说，他同时是COIL（加州理工学院光学成像实验室）的工程师，当时正在进行研究。

“但我们已经看到了将速度提高到每秒高达一千万亿帧的可能性。这样的速度肯定会提供提供一系列新见解，帮助发掘光与物质之间相互作用的尚未检测到的秘密。”他补充道。

在正常情况下，人眼观察到的光束是一下子出现的，但事实上，光子本身就如水管中的水一样快速射出，只是人眼无法看清和捕捉这一细微的过程。

压缩式超快摄影（Compressed Ultrafast Photography）

近年来，非线性光学和成像技术创新之间的联系，为生物学和物理学中动态现象的微观分析提供了新的高效方法。然而，利用这些方法的潜力需要一种在非常短暂的时间内实时记录图像来辅助和改进，而且要在一次曝光中完成。

对比之下，使用当前的成像技术，对超短激光脉冲进行的测量则必须重复多次，这适用于某些类型的惰性样品，但对于其他更脆弱的样品则不可能。

图：T-CUP的操作原理

例如，激光雕刻玻璃只能承受一次激光脉冲，只留下不到一皮秒的时间来捕获结果。在这种情况下，成像技术必须能够实时捕获整个过程。

压缩超快摄影（CUP）是一个很好的起点。每秒1000亿帧，这种方法接近——但仍不符合集成飞秒激光器所需的规格。

为了改进这一概念，新的T-CUP系统是基于飞秒条纹相机开发的，该相机还采用了在断层摄影等应用中使用的数据采集类型。

加州理工学院光学成像实验室（COIL）主任Lihong Wang说：“我们知道，只使用飞秒条纹相机，图像质量就会受限。”

“为了改善这一点，我们添加了另一个获取静态图像的相机。结合飞秒条纹相机获得的图像，我们可以使用所谓的Radon变换来获得高质量的图像，同时每秒记录10万亿帧。”Lihong Wang补充道。

就具体应用而言，T-CUP相机创造了实时成像速度的世界纪录，将有望促进生物医学、材料科学和其他应用的新一代显微镜性能提高。

注：本文图源来自Light: Science & Applications杂志期刊。