Учёные создали камеру с частотой триллион кадров в секунду

Рамеш Раскар, слева, и Андреас Фельтен на фоне фрагмента установки, позволяющей разглядеть продвижение светового луча вдоль бутылки (фото MIT Media Lab, Camera Culture).

Самая быстрая видеокамера в мире способна разглядеть продвижение ультракороткого импульса света через однолитровую бутылку, подобно тому как обычные скоростные камеры в деталях снимают пролёт пули сквозь яблоко.

Уникальную систему построили Рамеш Раскар (Ramesh Raskar) из Массачусетского технологического института и сотрудники его лаборатории Camera Culture при участии группы Бавенди (Bawendi Group).

Раскар известен нам по целому ряду впечатляющих опытов. Достаточно вспомнить камеру, снимающую за углом. Она, кстати, является близкой родственницей новинки – у них есть общие элементы и схожи приёмы работы со светом.

Для начала, впрочем, полюбуемся, как сферический волновой фронт от импульсного лазера прокатывается по выставленному физиками натюрморту. Каждое такое колечко пересекает сцену со скоростью света, но в замедленном ролике оно просто ползёт.

Экспериментаторы называют новую систему Trillion FPS Camera. Правда, на деле эффективное время экспозиции каждого кадра тут составляет 1,71 пикосекунды (триллионных долей секунды), так что аппарат отображает продвижение света по сцене с частотой съёмки «всего» в 0,58 триллиона кадров в секунду. Но округление авторам удивительной машины вполне можно простить.

Для сравнения, предыдущая научная установка для фиксации быстротечных событий выдавала более шести миллионов кадров в секунду.

Заметим, однако, что ещё один метод замедленной съёмки, базирующийся на голографии (light-in-flight holography), позволяет достичь большего темпа — целых 100 миллиардов кадров в секунду. Увы, эта технология пригодна вовсе не для любых ситуаций, так как работает только с когерентным светом. А его лучи теряют согласованность сразу же, как только проходят сквозь разные объекты, и потому метод отказывает.

В способе съёмки Раскара свет может быть самым обычным, а лазер в роли подсветки тут применяется не из-за когерентности исходного пучка, а из-за необходимости в ультракоротких вспышках.

Новая система способна фиксировать свет, не только проходящий сквозь прозрачную цель, но и отражённый от непрозрачного тела. Видео запечатлевает продвижение световых волн по поверхности объекта. Для выявления тонкостей их взаимодействия применяется цветовое кодирование времени прихода различных импульсов (фото MIT Media Lab, Camera Culture).

В качестве основы для новой системы учёные использовали стрик-камеру (streak camera). В таком устройстве лучи света попадают на фотокатод через узкую щель.

Выбитые электроны за счёт быстроменяющегося электрического поля отклоняются в направлении, перпендикулярном щели. Далее они летят к детектору.

Таким способом временная развёртка короткого импульса света превращается в пространственную. Прибывшие чуть раньше фотоны отражаются в детекторе в несколько иной позиции, чем частицы прилетевшие чуть позднее.

Рекордная камера и подготовленная для съёмки сцена (фото MIT Media Lab, Camera Culture).

Изображения, добываемые с помощью такой камеры, получаются двумерные, передаёт институт, но при этом одно измерение в кадре является пространственным (оно расположено вдоль щели), а второе – это время.

Чтобы зафиксировать сцену полностью, изобретатели применили медленно поворачивающееся зеркало, направляющее взгляд щелевой камеры на новые и новые линии.

Для съёмки целого ролика пробег волнового фронта вдоль сцены следует повторить миллионы раз. А чтобы взаимное расположение световых полос в кадрах было правильным, необходимо точно синхронизировать импульсы лазера подсветки (частота следования – 13 наносекунд, ширина импульса – несколько фемтосекунд) и срабатывание детекторов. Последние воспринимают отражённый от объектов свет с временным разрешением примерно в пикосекунду.

Сложная оптика и электроника, необходимая для синхронизации работы всех частей комплекса, как раз составляют секрет «триллионной камеры». Но не единственный.

Важно, что снимаемые объекты остаются неподвижными, так что картина прокатывающихся по ним световых импульсов – всегда одна и та же. Это и позволяет вести съёмку одной задуманной сцены в течение нескольких минут (за это время сканирующее зеркало снимает множество узких линий в поле зрения камеры).

Если вернуться к аналогии с пулей и яблоком, то в данном случае учёные словно получают в финальном ролике один её пролёт по экрану после миллионов попыток – яблоко просто «расстреливают из пулемёта».

В зависимости от способа обработки массива данных исследователи могут создавать различные варианты видео или фотографий объектов (фотографии Di Wu, Andreas Velten, MIT Media Lab, Camera Culture).

Дальнейшая обработка колоссального массива информации (расположение фотонов и время их фиксации в детекторе) отдаётся на откуп компьютеру. Придуманные Рамешом и его коллегами математические алгоритмы позволяют сформировать из таких данных результирующий ролик, состоящий всего из 480 кадров.

Легко посчитать, что за весь фильм (он показывает нам событие, разворачивающееся на протяжении 0,8 наносекунды) световой луч успевает пробежать по сцене примерно 25 сантиметров, а за один кадр – примерно полмиллиметра.

Андреас Фельтен (Andreas Velten), один из авторов этой системы, называет её «ультимативной», мол, «во Вселенной нет ничего со столь быстрым взглядом, как у этой камеры».

Её создатели также подчёркивают, что вдохновлялись съёмками летящих пуль, впервые проведённых десятилетия назад. Тогда ключом к остановке мгновения были фотовспышки, разумеется, доступные в те годы.

Нынешние новаторы в целом используют аналогичный подход, только теперь вспышки света стали в миллиарды раз короче. Раскар называет такие импульсы «световыми пулями». Особенно эффектно они смотрятся в упомянутом вначале опыте с бутылкой.

Бутылка, снятая обычным фотоаппаратом и она же, увиденная камерой Trillion FPS. Прокатывающийся короткий импульс расцвечен компьютером (фото MIT Media Lab, Camera Culture).

Возможные приложения технологии включают в себя анализ физической структуры конструкционных материалов или биологических тканей. «Это как УЗИ со светом», — поясняет Раскар.

Также данная техника способна раскрыть новые грани быстротекущих физических процессов. А ещё камеру на триллион кадров в секунду Рамеш предлагает использовать для съёмок образовательных фильмов, показывающих знакомые вещи с необычной стороны.

Но пока триллион кадров – это лишь эксперимент. Притом дорогостоящий. Только импульсный лазер и ультрабыстрая стрик-камера, использованные в опыте, в сумме стоят $250 тысяч. Тут Раскар рассчитывает на технический прогресс, который позволит в будущем сократить размер оптических компонентов подобной системы и снизить их цену.

Подробности опытов Рамеша и коллег можно найти в статье в OSA Technical Digest и материале, подготовленном для выставки Siggraph 2011.



Испытан самый маленький в мире двигатель Стирлинга

12 декабря 2011

Американцы побили рекорд скорости на постном масле

25 ноября 2011

Физики спрятали танк в углеродных нанотрубках

23 ноября 2011

Учёные превратили контактную линзу в светодиодный дисплей

22 ноября 2011

Установлен мировой рекорд в трёхмерной визуализации пористых материалов

7 ноября 2011
  • Сергей Асташкин  15 декабря, 17:42
    -- Принцип простой — по силам реализовать всем, скорость света 3*10 ^8 м/сек — импульс 13 н сек — значит за время импульса он мог десяток раз выйти из бутылки..непонятно, почему не светится весь путь ..что-то они не то сделали..
    ОтветитьНравится
  • Вадим Сущенко  15 декабря, 17:44
    это что то вы не так поняли.
    снимали фронт волны
    ОтветитьНравится
  • Александр Жуков  15 декабря, 17:46
    Импульс специально сделан очень коротким, чтобы весь путь не светился, для демонстрации эффекта. К тому времени, когда свет перемещается в новый участок пространства, в старом уже успевает потухнуть.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 17:54
    13 нс — это частота следования импульсов, а не длина импульса
    ОтветитьНравится
  • k j  15 декабря, 18:02
    Да вообще ничего толком не снималось,все нарисовал компьютер,так что это не очень интересно!!!
    ОтветитьНравится
  • Максим Селиванов  15 декабря, 18:07
    Не согласен, компьютер то рисовал, но все что он рисовал снималось с датчиков, и потом преобразовывалось в красивую картинку.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  15 декабря, 18:11
    -- Не знаю, впервый раз было так, наверно, сделали коррекцию,теперь да.. вижу. что сами импульсы фемтосек.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 18:14
    Сергей — я там ничего не правил — вы просто так прочли.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  15 декабря, 19:06
    -- И фото новые появились, .померещалось ,наверное.. бывает..
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 19:35
    Сергей, это называется посмотреть внимательнее...

    Не, бывает, что мы что-то исправляем в тексте потом по мелочи, бывает, что и снимки дополнительные ставим. Но не в этом случае.

    ОтветитьНравится
  • Сергей Кацель  16 декабря, 02:29
    Если уж на то пошло, то 13 нс — интервал импульса, частота будет 13 нс^-1
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  16 декабря, 05:47
    -- Странно,я обычно цифры сразу вижу..
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  16 декабря, 10:26
    Сергей Кацель

    Это смотря частота чего. Интервалы между импульсами — не интервалы между кадрами. Каждый такой имульс — это весь «сценарий эпизода», когда короткий (менее мм длиной) пучок света пробегает по объектам.

    «Режиссёр» снимает такой эпизод в течение примерно 0,8 нс, а потом говорит «Стоп снято, на исходные позиции». Актёры занимают начальные места и следующие 0,8 нс идёт съёмка второго дубля.

    А вот _внутри_ каждого такого эпизода съёмки, пока пучок света пробегает через сцену, у вас период одного кадра на плёнке составляет около 2 пс.

    ОтветитьНравится
  • Михаил Зиньков  15 декабря, 17:52
    Чистой воды терминологическое обувалово. Из триллиона снимков создают сюжет и говорят, что это и есть изображение прохождения луча света по образцам с разрешением триллион кадров в секунду. Зря уж они остановились на триллионе — так можно и бесконечную скорострельность камеры продекларировать. Конечно для простого обывателя это огромное достижение, а на поверку — примитивный стробоскоп. Правда, может и ему найдется применение ...
    ОтветитьНравится
  • Максим Селиванов  15 декабря, 18:05
    Михаил, ответьте честно, вы познакомились с принципом работы стрик-камеры?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 18:17
    Вот аналогия: вы идёте мимо камеры, но она снимает только ваши пятки и щиколотки. Потом снова вы, той же походкой на том же расстоянии снова идёте мимо камеры, но она снимает узкую полосу в районе колен. И так далее — бёдра, живот, грудь, голова... Потом в монтажной вы клеете из этих полосок себя, идущего в полный рост.
    Это «терминологическое обувалово»? Если каждый раз вы проходите мимо камеры совершенно одинаково. Это компьютерная графика, мультфильм? Или всё таки съёмка, как вы идёте?
    И очевидно же, что нельзя просто задекларировать сколько угодно кадров в секунду — это не вымышленная вещь, «полученная из компьютера», а вполне реальный параметр съёмки, определяемый в первую очередь длительностью импульса подсветки и длительностью вспышки, которую может раздельно уловить стрик-камера.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 18:24
    В дополнение к примеру с человеком. Если камера, вас снимающая полосками (ноги, туловище, голова), делает при этом триллион к/с, можно говорить, что в финальном ролике частота кадров получена виртуально, только потому, что ваши ноги,живот, торс, снимались в несколько заходов? Причём тут частота вообще?
    ОтветитьНравится
  • Александр Амелькин  16 декабря, 10:03
    Леонид, это можно назвать каким угодно «обуваловом», но это в любом случае обман (хорошо, постановка). Потому что съемка прохождения меня мимо камеры — это когда стоит камера, а я один раз мимо прошел и ушел. И если я иду со скоростью света, то камера должна снимать быстрее. Что невозможно в принципе. А если заставить меня ходить мимо камеры триллион раз, то можно этой камере в характеристиках любую «частоту кадров» нарисовать.

    Проблема только в том, что в реальной жизни на реальных событиях (которые нельзя заставить идентично повторяться с заданной частотой) эта камера будет бесполезна.

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  16 декабря, 10:21
    Александр. По-моему вы не понимаете принципа.

    «И если я иду со скоростью света, то камера должна снимать быстрее» — что значит быстрее? Почему вдруг быстрее? При триллионе к/с скольжение света отлично фиксируется.

    «А если заставить меня ходить мимо камеры триллион раз, то можно этой камере в характеристиках любую «частоту кадров» нарисовать»

    — нет нельзя любую. Оставьте эти миллионы проходов и сшивку полос. Возьмите один эпизод съёмки — ваши колени, например. Если вы _один_ раз прошли мимо со скоростью света и колени запечатлены «на плёнку» (камера снимала узкой полосой по горизонтали) — это съёмка или обман? Колени двигались со скоростью с? Да. Они засняты? Да. В воспроизведении ленты колени движутся очень медленно на экране? Тоже да.

    Почему у вас съёмка + съёмка + съёмка = обман?

    Вы не понимаете, что триллион кадров на видео получается _уже_ при съёмке с только одной позиции щелевой камеры. При одном единственном заходе (протяжённость сцены во времени 0,8 нс, один пробег луча мимо бутылки) _уже_ на видео остаётся бегущий зайчик от скользящего под углом пучка света.

    Только через эту щель вся сцена не видна, потому приходится сдвигать зеркало и повторять съёмку.

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  16 декабря, 10:54
    P.S. Александр

    Я это всё к тому, что несмотря на последующую обработку видео частота кадров тут не получена фиктивно — она заложена в железе — самой технике — параметрах импульсов подсветки, временном разрешении стрик-камеры. Просто так наснимать много-много «каких-то» кадров, сшить их и сказать — вот вам квинтиллион к/с — невозможно.

    ОтветитьНравится
  • Юрий Новиков  15 декабря, 17:53
    хм действительно если свет течет из лазера 13 наносекунд — расстояние от первого до последнего фотона будет ...более трех метров... откуда такое узкое колечко?
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 17:55
    Вы невнимательны, длина одного импульса — фемтосекунды. частота их следования — 13 нс
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  15 декабря, 18:14
    -- Для процессов ,где есть подобная ситуация — это возможно, но, тут есть одна заковыка первый же импульс «накачает» оптическую систему энергией и мы всё равно не увидим как идёт ПЕРВЫЙ импульс ..
    ОтветитьНравится
  • Александр Стрелец  15 декабря, 18:49
    Как это смотреть на предметы в щелочку, от части показывает дизайн сайта «мембрана» )
    www.yapfiles.ru/show/324975/Membrana.jpg.html
    ОтветитьНравится
  • Василий Коровин  17 декабря, 15:41
    У вас хоть 1920х1200, а мне это приходится смотреть на 2560х1600. Дизайн. Бессмысленный и беспощадный.
    ОтветитьНравится
  • Алексей Худяков  15 декабря, 19:53
    Вот теперь пусть снимут пролет волны через две щели и покажут нам как формируется интерференционная картина. Фотон это суперпозиция этой волны. Нагладно видно как ЭМ волна распространяется в какойто среде. Причем если бы они совершили съемку в вакууме, то стоило бы от наглядности процесса призадуматься о среде распространения ЭМ волн. Кроме того, очень важно, но из видео с бутылкой наполненной жидкостью непонятно, как фронт волны распространяется в двух средах и в воздухе и в жидкости. Ведь согласно теории фронт волны в жидкости должен идти медленнее чем в воздухе.

    И еще, что мешает создать несколько синхронных щелевых датчиков расположенных вертикально. Работая в одном импуьсе они будут формировать двухмерную картинку. Конечно система становится дороже, но это позволит фиксировать однократное прохождение ЭМ волны на движущемся объекте или от движущегося объекта! Хотя из-за большой разницы в скоростях, движущийся объект будет выглядеть остающимся на месте. Хотя... может ктонибудь придумает достойный эксперимент с такой камерой.

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 20:07
    Про бутылку. По-моему, мы видим отражение проходящего фронта от пластиковых стенок бутылки, примерно так, как в других видео фронт пробегает по помидору или скотчу. Вода там на заднем плане фактически. К тому же, нужно учесть, что имеются углы между осью бутылки и направлением распространения волнового фронта и между направлением распространения этого фронта и направлением съёмки (лучом зрения камеры).

    Несколько синхронизированных.... Аппаратура очень дорогая. А теоретически можно наверно.

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 20:09
    PS как фронт идёт «в воздухе» — вы тут нигде не видите. Вы смотрите только на точки пересечения фронта с какими либо предметами. Вот если воздух заполнить армией маленьких пылинок... :)
    ОтветитьНравится
  • Алексей Худяков  15 декабря, 21:01
    Зачем армией пылинок, мне достаточно отражения фронта идущего в воздухе от поверхности стола. На видео он есть но его расположение намекает, что луч лазера был направлен не строго по оси бутылки.
    ОтветитьНравится
  • Ваня Крейцер  15 декабря, 20:59
    У меня flashplayer не установлен, а видяшку посмотреть хотелось. Поэтому я взял и поискал это видео на ютубе. Нашёл такое: www.youtube.com/watch?v=O553MaRBXNw

    Судя по словам про триллион кадров и «Camera Culture grp and Bawendi Lab, MIT Chemistry: Velten, Lawson, Bardagjy, Bawendi, Raskar» это то самое. Но... Там дата выкладывания видео -- 1 апреля. Что какбэ заставляет задуматься. =)

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 21:04
    В статье другие видео, с другими датами. Хотя и то, что показали вы — вполне нормальное, несмотря на...
    А что, ролики вставленные в статью вы не можете прямо на Ютубе открыть? Кликнуть в рамке справа внизу («watch on you tube»). Или они не выводятся у вас вообще? Ну вот основной ролик www.youtube.com/watch?v=EtsXgODHMWk&feature=player_embedded
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 21:05
    ОтветитьНравится
  • Алексей Худяков  15 декабря, 21:19
    Я так понял он не видит видео и на ютубе. Просто смотрит название и дату выкладывания.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  15 декабря, 21:23
    «Просто смотрит название и дату выкладывания...»

    Ну тут уж ничем помочь не могу.

    ОтветитьНравится
  • Ваня Крейцер  15 декабря, 22:34
    > Кликнуть в рамке справа внизу («watch on you tube»).

    Не знаю о какой рамке вы говорите. У меня белый прямоугольник с логотипом NoScript. Если же разрешить js для этого прямоугольника, то прямоугольник становится серым с ссылкой на установку плагина для флешплеера.

    > Ну вот основной ролик www.youtube.com/watch?v=EtsXgODHMWk&feature=player_embedded

    Спасибо. =)

    ОтветитьНравится
  • Ваня Крейцер  15 декабря, 22:36
    > Я так понял он не видит видео и на ютубе.

    Не, вы неправильно поняли. На ютубе отсутствие флешплеера хоть и является неудобством, но вовсе не непреодолимой проблемой. Есть html5. А те видяшки для которых html5 не работает, всегда можно скачать видео аддоном и посмотреть с диска.

    ОтветитьНравится
  • Александр Амелькин  16 декабря, 10:07
    На ютюбе есть режим HTML5, которому никакой дурацкий Flash не нужен.
    ОтветитьНравится
  • Валерий Решетин  15 декабря, 23:14
    В своё время в 1972 году мне нужно было фиксировать единичный импульс инфракрасного излучения низкой интенсивности с фронтом 1 нс и длительностью 100 нс. Тогда мы применили фоторегистратор ФЭР-10 с временным разрешением 85 пикосекунд!!! (автор ФЭР Бутслов)
    Установка была описана в журнале ПТЭ №4 за 1973, где её фото было на обложке. И весь прикол был в том, что импульс был единичным!
    Японцы случайно попавшие в нашу лабораторию только восторгались
    А когда можно накопить много импульсов, как в стробоскопическом осциллографе, — это не проблема. Тут проблема будет только в плавности задержки запуска камеры относительно импульса света.
    ОтветитьНравится
  • Иван Иванов  15 декабря, 23:30
    Я все равно кока-колу пить не буду.
    Как бы они не извращались.
    ОтветитьНравится
  • Андрей Данилейко  16 декабря, 15:40
    Я тоже
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  16 декабря, 01:19
    Я не совсем понял, снимается тольк овидимый свет?
    Или вообще любое элмаг излучение?
    Или не только элмаг?
    Можно ли это приспособить скажем в ЦЕРНе?
    Тут же датчики улавливающие излучение, а не привычная каемера.
    Пусть снимут нам сверхсветовое нейтрино.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  16 декабря, 05:46
    -- Вообще, такое используется в исследовании переизлучения (хромофоры..), и для изучения взаимодействия со свверхмалыми объектами..
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  16 декабря, 11:16
    -число частиц должно быть мало.. Ставится высокоскоростной детектор ,он даёт задержки по времени ..скажем в 5 рсек...
    ОтветитьНравится
  • Сергей Асташкин  16 декабря, 05:38
    -- Можно, только нужно синхронизировать вылет частиц с точностью не менее !0^(-13) сек...
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Степанов  16 декабря, 14:45
    жаль я не вижу видео((
    ОтветитьНравится
  • Михаил Тоцких  17 декабря, 15:00
    Очень круто... ребята просто молодцы!!!
    ОтветитьНравится
  • Александр Домастин  17 декабря, 19:14
    я правильно понял, 4то тут заложен принцип съемки, как, к примеру, капающей воды... снимают множество кадров капель, а потом после монтажа видео полу4ается будто бы это одна капля?
    ОтветитьНравится
  • Виктор Алексеевич  18 декабря, 20:03
    Бедные, чё ж они маются! Сделали бы скорость света маленькой или вообще бы его остановили. И наблюдай сколько влезет.
    ОтветитьНравится
  • Виктор Алексеевич  18 декабря, 20:06
    (жалко, нельзя дополнить своё же сообщение)
    Делал я подобные вещи, если кто посчитал это шуткой.
    ОтветитьНравится
  • Валерий Решетин... при всё уважении к Вам... в ваши 72-годы не было таких средств регистрации
    ОтветитьНравится