全球最快相機有多快？

今年 4 月，美國國家工程院院士、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)隊成功研發(fā)出每秒高達(dá) 70 萬億幀的拍照系統(tǒng)。

每秒 70 萬億幀是一個什么概念？快到足以捕捉傳播中的光波。而目前最好的手機攝像頭僅能實現(xiàn)每秒記錄 1000 幀以下的慢動作。

研究人員表示，這種超快速相機或?qū)⒃谏�命科學(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），可以通過探測超快的基礎(chǔ)物理世界來幫助打造更小、更靈敏的電子產(chǎn)品。

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

近日，汪立宏及其團(tuán)隊在這一領(lǐng)域再次取得突破，新型超快速相機可以通過模仿人眼拍攝 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。

（來源：Nature Communications）

這種新型超快速相機與汪立宏此前研發(fā)的其他壓縮超快攝影（compressed ultrafast photography，CUP）相機使用相同的基礎(chǔ)技術(shù)，在你一眨眼的時間內(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背后的技術(shù)稱為 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動作中，而不會重復(fù)該事件。這使得 CUP 相機的拍攝速度非�？�。汪立宏通過讓相機像人一樣 “看”，在原來 CUP 相機的基礎(chǔ)上增加了另一個維度。

圖｜SP－CUP 系統(tǒng)原理圖（來源：Nature Communications）

當(dāng)一個人看他們周圍的世界時，他們會感覺到有些物體離他們近，有些物體離他們遠(yuǎn)，之所以會這樣，是因為我們的每只眼睛觀察物體及其周圍的角度略有不同，來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 相機的工作原理基本相同�！艾F(xiàn)在的相機是立體的，我們有一個鏡頭，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一樣，運行 SP－CUP 相機的計算機可以將兩個來源的數(shù)據(jù)處理成一個 3D 視頻。

圖｜3D 視頻顯示激光脈沖穿過激光散射介質(zhì)并從反射表面反射回來（來源：加州理工學(xué)院）

此外，SP－CUP 還具有另一項人類沒有的功能：可以看到光波的偏振。

光的偏振是指光波在傳播過程中振動的方向。以吉他弦為例，如果弦向上拉（比方說，用手指拉），然后松開，繩子就會垂直振動；如果手指橫向拉弦，弦就會水平振動。普通光線具有向各個方向振動的波。然而，偏振光被改變了，所以它的波都朝著同一個方向振動。這可以通過自然的方式發(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。

雖然我們的眼睛無法直接探測光的偏振，但這一現(xiàn)象已被廣泛應(yīng)用：從液晶顯示屏到偏光太陽鏡和光學(xué)相機鏡頭，再到探測材料中隱藏的應(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強大的工具，可能適用于各種各樣的科學(xué)問題。

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，它們會發(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)一個氣泡坍縮時，它的內(nèi)部會達(dá)到很高的溫度，以至于會發(fā)光。這一切發(fā)生的過程非常神秘，因為一切都發(fā)生得太快了，我們想知道我們的相機能否幫助我們弄清這一點�！� 汪立宏說。