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视野科学重磅！华人科学家研发出超快速相机，每秒1000亿帧，还能拍3D视频


全球最快相机有多快？
今年 4 月 ， 美国国家工程院院士、加州理工学院医学工程系与电子工程系 Bren 讲席教授汪立宏及其团队成功研发出每秒高达 70 万亿帧的拍照系统 。
每秒 70 万亿帧是一个什么概念？快到足以捕捉传播中的光波 。 而目前最好的手机摄像头仅能实现每秒记录 1000 帧以下的慢动作 。
研究人员表示 ， 这种超快速相机或将在生命科学领域以及各种各样的极快现象（如超短光传播、波传播、核聚变等） ， 可以通过探测超快的基础物理世界来帮助打造更小、更灵敏的电子产品 。
但有个问题 ， 这种超快速相机就像大部分人手机上的摄像头一样 ， 只能产生平面图像 。 有没有一种速度极快、又能拍摄 3D 照片或视频的相机？
近日 ， 汪立宏及其团队在这一领域再次取得突破 ， 新型超快速相机可以通过模仿人眼拍摄 3D 视频 ， 速度高达每秒 1000 亿帧 。 相关研究论文已于 10 月 16 日在线发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上 。
视野科学重磅！华人科学家研发出超快速相机，每秒1000亿帧，还能拍3D视频
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（来源：Nature Communications）
这种新型超快速相机与汪立宏此前研发的其他压缩超快摄影（compressed ultrafast photography ， CUP）相机使用相同的基础技术 ， 在你一眨眼的时间内 ， 就足以拍下 100 亿张照片 ， 比全世界人口的数量还要多 。 汪立宏将新一代超快速相机背后的技术称为 SP-CUP（single-shot stereo-polarimetric compressed ultrafast photography） 。
在 CUP 技术中 ， 视频的所有帧都被捕捉在一个动作中 ， 而不会重复该事件 。 这使得 CUP 相机的拍摄速度非常快 。 汪立宏通过让相机像人一样 “看” ， 在原来 CUP 相机的基础上增加了另一个维度 。
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图｜SP-CUP 系统原理图（来源：Nature Communications）
当一个人看他们周围的世界时 ， 他们会感觉到有些物体离他们近 ， 有些物体离他们远 ， 之所以会这样 ， 是因为我们的每只眼睛观察物体及其周围的角度略有不同 ， 来自两只眼睛观察到的信息可以被大脑组合成一幅 3D 图像 。
汪立宏表示 ， SP-CUP 相机的工作原理基本相同 。 “现在的相机是立体的 ， 我们有一个镜头 ， 但它模仿我们的眼睛 ， 提供了两种视角的偏移 。 ” 就像大脑处理从眼睛接收到的信号一样 ， 运行 SP-CUP 相机的计算机可以将两个来源的数据处理成一个 3D 视频 。
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图｜3D 视频显示激光脉冲穿过激光散射介质并从反射表面反射回来（来源：加州理工学院）
此外 ， SP-CUP 还具有另一项人类没有的功能：可以看到光波的偏振 。
光的偏振是指光波在传播过程中振动的方向 。 以吉他弦为例 ， 如果弦向上拉（比方说 ， 用手指拉） ， 然后松开 ， 绳子就会垂直振动；如果手指横向拉弦 ， 弦就会水平振动 。 普通光线具有向各个方向振动的波 。 然而 ， 偏振光被改变了 ， 所以它的波都朝着同一个方向振动 。 这可以通过自然的方式发生 ， 比如光线从表面反射 ， 或者是人工操作的结果 ， 比如偏振滤镜 。
虽然我们的眼睛无法直接探测光的偏振 ， 但这一现象已被广泛应用：从液晶显示屏到偏光太阳镜和光学相机镜头 ， 再到探测材料中隐藏的应力和分子的三维构型的设备 。 汪立宏认为 ， SP-CUP 的高速 3D 图像和偏振信息的使用使它成为一个强大的工具 ， 可能适用于各种各样的科学问题 。


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