0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Самая скорострельная в мире камера может делать 10 трлн кадров

Самая быстрая камера в мире, замораживает время на скорости 10 триллионов кадров в секунду!

Дата: 12 октября 2018 г.

Источник: Национальный научно-исследовательский институт — INRS

Резюме: Исследователи разработали то, что они называют T-CUP: самой быстрой камерой в мире, способной захватывать десять триллионов кадров в секунду. Эта новая камера буквально позволяет заморозить время, чтобы увидеть явления — и даже свет! — в чрезвычайно медленном движении.

Что происходит, когда новая технология настолько точна, что она работает в масштабах, выходящих за рамки наших возможностей характеристики? Например, лазеры, используемые в INRS, создают ультракороткие импульсы в фемтосекундном диапазоне ( 10-15 с), которые слишком коротки для визуализации. Хотя некоторые измерения возможны, ничто не сравнится с четким изображением, говорит профессор INRS и специалист по сверхбыстрой визуализации Jinyang Liang. Он и его коллеги, возглавляемые Lihong Wang из Caltech, разработали то, что они называют T-CUP: самой быстрой камерой в мире, способной захватывать десять триллионов (10 13 ) кадров в секунду. Эта новая камера буквально позволяет заморозить время, чтобы увидеть явления — и даже свет! — в чрезвычайно медленном движении.

В последние годы соединение инноваций в нелинейной оптике и визуализации открыло двери для новых и высокоэффективных методов микроскопического анализа динамических явлений в биологии и физике. Но для использования потенциала этих методов должен быть способ записи изображений в реальном времени с очень коротким временным разрешением — за один раз.

Используя современные методы визуализации, измерения, проводимые с помощью сверхкоротких лазерных импульсов, должны повторяться много раз, что подходит для некоторых типов инертных образцов, но невозможно для других более хрупких. Например, лазерное гравированное стекло может переносить только один лазерный импульс, оставляя меньше, чем пикосекунда, чтобы фиксировать результаты. В этом случае метод визуализации должен иметь возможность фиксировать весь процесс в реальном времени.

Сжатая сверхбыстрая фотография (CUP) была хорошей отправной точкой для них. При 100 млрд. Кадров в секунду этот метод приближался, но не соответствовал спецификациям, необходимым для интеграции фемтосекундных лазеров. Чтобы улучшить концепцию, новая система T-CUP была разработана на основе фемтосекундной полосовой камеры, которая также включает в себя тип сбора данных, используемый в таких приложениях, как томография.

«Мы знали, что с использованием только фемтосекундной линейной камеры качество изображения будет ограничено», — говорит профессор Лихун Ван, профессор Medial Engineering and Electrical Engineering в Калтех и директор лаборатории оптической визуализации Caltech (COIL). «Чтобы улучшить это, мы добавили еще одну камеру, которая приобретает статическое изображение. В сочетании с изображением, полученным камерой фемтосекундной полосы, мы можем использовать так называемое преобразование Радона для получения высококачественных изображений при записи десяти триллионов кадров в секунду. «

Установив мировой рекорд скорости изображения в реальном времени, T-CUP может подключать микроскопы нового поколения для биомедицины, материаловедения и других приложений. Эта камера представляет собой фундаментальный сдвиг, позволяющий анализировать взаимодействия между светом и веществом при беспрецедентном временном разрешении.

В первый раз, когда он использовался, сверхбыстрая камера сломала новую землю, захватив временную фокусировку одного фемтосекундного лазерного импульса в реальном времени. Этот процесс был записан в 25 кадрах, выполненных с интервалом в 400 фемтосекунд, и детализировал форму, интенсивность и угол наклона светового импульса.

«Это само достижение», — говорит Jinyang Liang, ведущий автор этой работы, который был инженером в COIL, когда проводилось исследование, «но мы уже видим возможности для увеличения скорости до одного квадриллиона (10 15 ) кадров в секунду!» Скорости, как это, несомненно, помогут понять все еще незаметные секреты взаимодействий между светом и веществом.

Камера засняла движение лазерного импульса со скоростью 10 триллионов кадров в секунду

Jinyang Liang et al. / Nature Light

Физики из США и Канады построили камеру, которая записывает электромагнитные волны со скоростью около 10 триллионов кадров в секунду, то есть позволяет различить события, разделенные промежутком около 100 фемтосекунд. Для этого ученые записывали плоские проекции трехмерного процесса, а затем решали задачу оптимизации и восстанавливали исходное изображение. Статья опубликована в Nature Light и находится в свободном доступе.

Читать еще:  3DNews - 12 лет: самое интересное впереди!

Большинство привычных для нас процессов происходят сравнительно медленно, так что мы можем легко заснять их с помощью обычной камеры, которая работает с частотой около 30–60 кадров в секунду. Однако некоторые процессы в физике и биологии требуют гораздо большего временно́го разрешения. В частности, чтобы увидеть «отрыв» электрона от атома или зарегистрировать движение световой волны, которая распространяется в веществе со скоростью порядка 200 тысяч километров в секунду, нужно использовать камеры, работающие с частотой более триллиона кадров в секунду. Несмотря на то, что такие камеры уже давно существуют, они имеют недостатки, которые сильно ограничивают область их применения.

В настоящее время самый распространенный метод регистрации сверхбыстрых процессов спектроскопии основан на возбуждении образца с помощью лазера и последующем измерении его «отклика». Этот так называемые накачивающе-зондирующие измерения (pump-probe measurements). Несмотря на то, что этот способ позволяет достичь фемтосекундного разрешения по времени (10 15 кадров в секунду), он может работать только в том случае, если исследуемые процессы довольно точно воспроизводят сами себя во времени. Грубо говоря, при накачивающе-зондирующих измерениях «кино» снимается по следующей схеме. Сначала ученые «высвечивают» с помощью вспышки фемтосекундного лазера первый кадр процесса. Когда процесс завершится, исследователи запускают его снова и «высвечивают» второй кадр, задерживая вспышку на несколько фемтосекунд. Затем экспериментаторы повторяют эти действия еще много раз, а потом склеивают кадры. К сожалению, далеко не все процессы точно воспроизводят себя во времени — например, биологические процессы в основном протекают случайно. Кроме того, для повышения точности измерений оптическая система может быть так тонко настроена, что первый же импульс лазера изменит ее параметры, и воспроизвести процесс не удастся. В этих случаях накачивающе-зондирующие измерения выполнить невозможно.

С другой стороны, для наблюдений за сверхбыстрыми процессами можно использовать пространственно-временную двойственность уравнений электродинамики. Проще говоря, двойственность позволяет преобразовать временну́ю развертку импульса света в пространственную, а затем записать ее на условной фотопластинке. Чем раньше во времени расположен «кадр» процесса, тем ближе к началу фотопластинки будет находиться его изображение. На этом свойстве уравнений основаны щелевые камеры (streak camera), которые создают изображение с помощью электронов, выбиваемых импульсом света из фотокатода. Современные щелевые камеры позволяют записывать импульсы с частотой около триллиона кадров в секунду. Разумеется, такая камера способна записать не только повторяющиеся, но и единичные процессы. Тем не менее, качество изображений, создаваемых щелевой камерой, сравнительно невысоко, а потому физики пытаются увеличить ее временно́е и пространственное разрешение другими способами.

Группа ученых под руководством Цзиньянь Ляна (Jinyang Liang) совместила щелевую камеру и сжатое считывание (compressed sensing) с помощью метода сжатой сверхбыстрой фотографии (compressed ultrafast photography) и научилась регистрировать процессы с частотой около 10 триллионов кадров в секунду. Для этого исследователи придерживались следующей схемы. Сначала физики собирали «сырые» данные о процессе — для этого разделили на две части пучок света, исходящий от процесса, и записали два его изображения. Изображение первого пучка записывалось напрямую двумерной матрицей, которая фактически производила двумерное преобразование Радона с фиксированным углом. Преобразование Радона R(s, α) — это интеграл от функции вдоль прямой, которая перпендикулярна вектору (cosα, sinα) и проходит на расстоянии s от начала координат. По сути своей преобразование Радона напоминает преобразование Фурье (в частности, оно обратимо). Второй пучок пропускался сквозь псевдослучайный двоичный паттерн (черно-белая пластинка на рисунке), сдвигался по времени, разворачивался щелевой камерой и записывался еще одной матрицей. Это изображение можно рассматривать как преобразование Радона с углом, который зависит от скорости сдвига щелевой камеры. Таким образом, ученые за один шаг записывали две двумерные проекции трехмерной динамической сцены (2 пространственных + 1 временно́е измерение). Наконец, физики восстанавливали трехмерное изображение исходного процесса из его проекций, решая задачу оптимизации, то есть минимизируя функционал от искомого распределения интенсивности при известных результатах его преобразования.

Схема записи изображения с помощью метода CUP

Десять триллионов кадров в секунду: создана самая быстрая в мире камера

Так выглядит система, поставившая мировой рекорд по скорости съёмки.
Фото INRS.

Учёные создали камеру, которая создаёт десять триллионов кадров в секунду. Как утверждается в пресс-релизе исследования, это мировой рекорд. Новая разработка поможет зафиксировать процессы, которых никто никогда не видел.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications группой во главе с Цзиньяном Ляном (Jinyang Liang) из Национального научно-исследовательского института Канады.

Учёные превосходно понимают смысл поговорки «время не ждёт». Процессы в быстрой электронике протекают за миллиардные доли секунды. Молекулы колеблются с периодом в её триллионные доли. Взаимодействие света с веществом происходит ещё в тысячу, а движение электронов в атоме – в миллион раз быстрее.

Читать еще:  Предварительный обзор смартфона Huawei P40 Pro: глаз шторма

Как изучить настолько быстрые процессы? Для этого физики создают фемтосекундные и даже аттосекундные лазеры. Лазерный импульс воздействует на образец с нужным характерным временем. Но результат воздействия тоже нужно как-то зафиксировать. Хотя современные технологии предоставляют на этот счёт кое-какие возможности, о полноценном изображении речь не идёт.

Существующие камеры слишком неторопливы, чтобы фиксировать такие процессы в реальном времени. Они требуют многократно повторять одно и то же действие. Это можно сравнить с покачиванием маятника: камера не в силах запечатлеть отдельное движение, но ведь каждое колебание похоже на предыдущее как две капли воды. В конце концов суммарное время экспозиции оказывается достаточным, чтобы получить качественный кадр.

А что делать, если изучаемый процесс похож не на качания маятника, а на удар молотком по стеклу? Образец разрушается первым же воздействием, и его уже невозможно повторить много раз. Такие вещи нужно фиксировать в реальном времени, другого способа просто нет.

Авторы решили эту проблему. За отправную точку они взяли технологию сжатой сверхбыстрой фотографии, позволяющую делать сто миллиардов кадров в секунду (авторы «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали о ней). Ускорив процесс съёмки в сотню раз, исследователи закономерно получили ухудшение изображения.

Тогда учёные добавили своему детищу «напарника». Это вторая камера, которая снимает не так быстро, как первая, зато получает более качественный кадр. Она используется как дополнительный источник информации. С таким подспорьем исследователи расшифровывают и данные «торопыги», превращая их в достаточно подробную картинку с помощью преобразования Радона.

Получившаяся система, возможно, поставила мировой рекорд по скорости съёмки в реальном времени. Впрочем, «Вести.Наука» писали о созданной российскими учёными камере, снимающей по кадру каждые 50 фемтосекунд. Это не обязательно означает, что технология группы Ляна напрасно претендует на первенство. «Камерой» можно назвать устройства разной конструкции, которые не обязательно являются фотоаппаратами в привычном смысле этого слова.

Канадские исследователи продемонстрировали возможности своего детища, зафиксировав процесс фокусировки одиночного импульса фемтосекундного лазера. Это действо было запечатлено в 25 кадрах, снятых с интервалом в 400 фемтосекунд. «На плёнке» можно увидеть, как меняется форма, интенсивность и угол наклона светового импульса.

«Это является достижением само по себе, но мы уже видим возможности для увеличения скорости до одного квадриллиона (в тысячу раз больше триллиона – прим. ред.) кадров в секунду!» – говорит Лян.

Напомним, что ранее «Вести.Наука» также писали о камере, снимающей 4,4 триллиона кадров в секунду.

Самая скорострельная в мире камера может делать 10 трлн кадров

Для использования всех функций войдите в систему.

  • все
  • Политика
  • Общество
  • Экономика
  • Происшествия
  • В мире
  • Леди
  • Авто
  • Спорт
  • Hi-Tech
  • Наука
  • больше
  • Коронавирус
  • Русский язык
  • Украина-Россия
  • Стадион
  • Банковский скандал
  • Plan B
  • Молдова-НАТО
  • Землетрясение
  • ДТП в Молдове
  • Приднестровье
  • Гагаузия
  • Бельцы
  • Хорошие новости
  • Гороскоп дня
  • больше
  • русский
  • полная версия

Самая быстрая в мире камера снимает со скоростью 70 триллионов кадров в секунду

  • 6 мая 2020
  • 6
  • 2397

Но всё это меркнет по сравнению со съёмкой со скоростью 70 триллионов кадров в секунду, которую научились вести учёные из Калифорнийского технологического института. Теперь можно будет взглянуть даже на движение световой волны, передает 3dnews.ru

Группа исследователей из Caltech опубликовала в журнале Nature Communications статью (она доступна по ссылке), в которой рассказала об улучшенной технологии скоростной съёмки. Это не первый прорыв учёных из Калифорнийского технологического на данном направлении. Руководит исследованиями специалист института Лихонг Ван (Lihong Wang).

В 2014 году под его руководством была представлена оригинальная технология скоростной съёмки CUP (сжатая сверхскоростная фотография) со скоростью 100 млрд кадров/с. К 2018 году технология была усовершенствована и получила название Т-CUP, а скорость съёмки достигла 10 трлн кадров/с. Новая технология CUSP (сжатая сверхбыстрая спектральная фотография) увеличила скорость съёмки ещё в семь раз ― до 70 трлн кадров/с.

В основе сверхскоростной съёмки CUSP лежит импульсный лазер излучающий сверхкороткие световые импульсы длительностью в одну фемтосекунду (10−15 с). Оптическая система разделяет эти импульсы на ещё более короткие вспышки. Этими дробными импульсами подсвечивается объект съёмки, и затем, через другую оптическую систему, они попадают на датчик изображения, который формирует итоговую картинку.

Сверхбыстрая камера снимает прозрачные объекты со скоростью 1 триллион кадров в секунду

Технология камеры называется фазо-чувствительной сжатой сверхбыстрой фотографией (pCUP)

  • Всего 0

Чуть больше года назад ученый Ли Хон Ван и его коллеги из Калифорнийского технологического института разработали самую быструю в мире камеру – устройство, способное делать 10 триллионов снимков в секунду. Она настолько быстрая, что может даже захватывать свет.

Читать еще:  IP- видеофон DLINK DVC-1000 i2eyeTM

Но иногда просто быть быстрым недостаточно. Действительно, даже самая быстрая камера не может снимать то, что она не видит. С этой целью исследователи разработали новую камеру, которая может делать до 1 триллиона снимков в секунду прозрачных объектов.

Технология камеры, которая называется фазочувствительной сжатой сверхбыстрой фотографией (pCUP), позволяет снимать не только прозрачные объекты, но и более эфемерные вещи, такие как ударные волны и, возможно, даже сигналы, проходящие через нейроны.

Ван объясняет, что новая система визуализации сочетает в себе систему высокоскоростной фотографии, которую он ранее разработал, со старой технологией, фазово-контрастной микроскопией, которая была разработана, чтобы лучше визуализировать объекты, которые в основном прозрачны, например, такие как клетки.

Фазово-контрастная микроскопия, изобретенная почти 100 лет назад голландским физиком Фрицем Зернике, работает, используя преимущества того, что световые волны замедляются и ускоряются, когда они входят в различные материалы.

Например, если луч света проходит через кусок стекла, он замедляется, когда входит в стекло, а затем снова ускоряется, когда выходит. Эти изменения в скорости изменяют время волн. С помощью некоторых оптических приемов можно отличить свет, прошедший через стекло, от света, которого там не было, и стекло, хотя и прозрачное, становится намного легче видеть.

“Что мы сделали, так это адаптировали стандартную фазово-контрастную микроскопию, чтобы она обеспечивала очень быстрое изображение, что позволяет нам изображать сверхбыстрые явления в прозрачных материалах”, – говорит Ван.

Ударная волна, создаваемая воздействием лазерного луча по воде, зафиксирована новой технологией сверхбыстрой съемки. (ns – наносекунды) © Caltech

Быстродействующая часть системы состоит из того, что Ван называет lossless encoding compressed ultrafast technology (LLE-CUP, сжатая сверхбыстрая технология кодирования без потерь).

В отличие от большинства других сверхбыстрых технологий видеоизображения, которые делают серию изображений последовательно, повторяя события, система LLE-CUP делает один снимок, захватывая все движение, которое происходит в течение времени, необходимого для завершения съемки.

Поскольку сделать один снимок намного быстрее, чем несколько, технология LLE-CUP способна захватывать движение, например движение самого света, которое слишком быстро, чтобы быть воспроизведенным более типичной технологией камеры.

Taewoo Kim et al. Picosecond-resolution phase-sensitive imaging of transparent objects in a single shot, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay6200

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Самая быстрая в мире камера снимает 70 триллионов кадров в секунду

Используя сверхбыстрые лазерные импульсы, новая система камер может снимать со скоростью до 70 триллионов кадров в секунду.

Лучшие телефонные камеры могут записывать медленное движение со скоростью менее 1000 кадров в секунду. Коммерческие установки обычно снимают со скоростью в несколько тысяч. Но все это абсолютно бледнеет по сравнению с новым рекордсменом и самой быстрой камерой в мире, которая может похвастаться ошеломляющей скоростью в 70 триллионов кадров в секунду. Это достаточно быстро, чтобы захватить световые волны в движении.

Сверхбыстрая камера

Разработанная в Caltech технология называется сжатой сверхбыстрой спектральной фотографией (CUSP). Как и следовало ожидать от невероятной частоты кадров, она не работает как обычная камера. Он использует чрезвычайно короткие импульсы лазерного света, каждый из которых длится всего одну фемтосекунду. Для справки, это одна квадриллионная секунда.

Система оптики разделяет эти импульсы на еще более короткие вспышки. Каждый из этих импульсов затем попадает в специальный датчик в камере, создавая изображение. И это происходит 70 триллионов раз в секунду.

Система CUSP основана на более ранней технологии, разработанной ведущим автором исследования Лихун Вана (Lihong Wang). Оригинальная версия, известная как сжатая сверхскоростная фотография (CUP), в 2014 году достигла максимальной скорости 100 миллиардов кадров в секунду. К 2018 году команде удалось снять 10 триллионов кадров в секунду, используя усовершенствованную версию технологии под названием Т-CUP.

Теперь, в семь раз быстрее, Ван и его команда считают, что технология CUSP может быть использована для исследования сверхбыстрого мира фундаментальной физики и создания более компактной и чувствительной электроники.

«Мы предполагаем применение в широком спектре чрезвычайно быстрых явлений, таких как сверхкороткое распространение света, распространение волн, ядерный синтез, перенос фотонов в облаках и биологических тканях и флуоресцентный распад биомолекул, среди прочего», — говорит Ван.

Другие команды используют различные типы технологий для захвата этих мимолетных событий на высокой скорости. Японские исследователи управляли 4,4 триллионами кадров в секунду в 2014 году, а шведская команда превысила 5 триллионов в 2017 году.

Новое исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. опубликовано econet.ru по материалам newatlas.com

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector