Ultrahurtigt kamera filmer 3D-film med 100 milliarder billeder i sekundet

I sin søgen efter at bringe stadig hurtigere kameraer til verden, Caltechs Lihong Wang har udviklet teknologi, der kan nå blæsende hastigheder på 70 billioner billeder i sekundet, hurtig nok til at se lys rejse. Ligesom kameraet i din mobiltelefon, selvom, det kan kun producere flade billeder.

Nu, Wangs laboratorium er gået et skridt videre for at skabe et kamera, der ikke kun optager video med utrolig høje hastigheder, men gør det i tre dimensioner. Wang, Bren professor i medicinsk teknik og elektroteknik i Andrew og Peggy Cherng Department of Medical Engineering, beskriver enheden i et nyt papir i journalen Naturkommunikation .

Det nye kamera, som bruger den samme underliggende teknologi som Wangs andre komprimerede ultrahurtige fotografering (CUP) kameraer, er i stand til at tage op til 100 milliarder billeder i sekundet. Det er hurtigt nok til at tage 10 milliarder billeder, flere billeder end hele den menneskelige befolkning i verden, i den tid det tager dig at blinke med øjet.

Wang kalder den nye iteration "single-shot stereo-polarimetrisk komprimeret ultrahurtig fotografering, " eller SP-CUP.

I CUP teknologi, alle billederne i en video optages i én handling uden at gentage begivenheden. Dette gør et CUP-kamera ekstremt hurtigt (et godt mobiltelefonkamera kan tage 60 billeder i sekundet). Wang tilføjede en tredje dimension til dette ultrahurtige billede ved at få kameraet til at "se" mere som mennesker gør.

Når en person ser på verden omkring dem, de opfatter, at nogle genstande er tættere på dem, og nogle genstande er længere væk. En sådan dybdeopfattelse er mulig på grund af vores to øjne, som hver især observerer objekter og deres omgivelser fra en lidt anden vinkel. Informationen fra disse to billeder kombineres af hjernen til et enkelt 3D-billede.

SP-CUP-kameraet fungerer stort set på samme måde, siger Wang.

"Kameraet er stereo nu, " siger han. "Vi har én linse, men det fungerer som to halvdele, der giver to visninger med en offset. To kanaler efterligner vores øjne."

Ligesom vores hjerne gør med de signaler, den modtager fra vores øjne, computeren, der kører SP-CUP-kameraet, behandler data fra disse to kanaler til én tredimensionel film.

SP-CUP har også en anden innovation, som intet menneske besidder:evnen til at se polariseringen af ​​lysbølger.

Polariseringen af ​​lys refererer til den retning, hvori lysbølger vibrerer, mens de bevæger sig. Overvej en guitarstreng. Hvis snoren trækkes opad (f.eks. med en finger) og derefter frigivet, strengen vil vibrere lodret. Hvis fingeren plukker den sidelæns, strengen vil vibrere vandret. Almindelig lys har bølger, der vibrerer i alle retninger. Polariseret lys, imidlertid, er blevet ændret, så dens bølger alle vibrerer i samme retning. Dette kan ske gennem naturlige midler, som når lys reflekteres fra en overflade, eller som følge af kunstig manipulation, som det sker med polariserende filtre.

Selvom vores øjne ikke kan registrere polariseringen af ​​lys direkte, Fænomenet er blevet udnyttet i en række applikationer:fra LCD-skærme til polariserede solbriller og kameralinser i optik til enheder, der registrerer skjult stress i materialer og de tredimensionelle konfigurationer af molekyler.

Wang siger, at SP-CUP's kombination af højhastigheds tredimensionelle billeder og brugen af ​​polarisationsinformation gør det til et kraftfuldt værktøj, der kan anvendes til en lang række videnskabelige problemer. I særdeleshed, han håber, at det vil hjælpe forskere til bedre at forstå sonoluminescensens fysik, et fænomen, hvor lydbølger skaber bittesmå bobler i vand eller andre væsker. Da boblerne hurtigt kollapser efter deres dannelse, de udsender et lysudbrud.

"Nogle mennesker betragter dette som et af de største mysterier i fysik, " siger han. "Når en boble kollapser, dens indre når så høj en temperatur, at den genererer lys. Processen, der får dette til at ske, er meget mystisk, fordi det hele sker så hurtigt, og vi spekulerer på, om vores kamera kan hjælpe os med at finde ud af det."