T-CUP 相機(圖:INRS)

加拿大國家科學研究院(Institut national de la recherche scientifique,INRS)與美國加州理工學院(Caltech)合作,研發出一種每秒能拍攝 10 兆張照片的超高速相機,並在極短時間內捕捉即時的高畫質影像。這台目前全球最快的相機,可望用於生物和物理學領域的微觀研究,並窺探光與物質之間的奈米級相互作用。

超高速相機

相機能在一秒內拍攝多少照片,受到曝光的限制,因為相機快門的開關速度越快,就有越少的光線進入相機。近年來,隨著非線性光學與影像技術的革新,為生物學與物理學的微觀分析,開啟了嶄新且高效率的方法。但要善用這些方法,必須有一個能在極短時間的單次曝光下,就能紀錄成像方法。

加拿大國家科學研究院所使用的雷射,能產生只有幾個飛秒(femtosecond,10–15 秒)的超短脈衝,而人眼無法看到這麼短暫的脈衝。若使用現行的成像技術來分析這種超短雷射脈衝所產生的影像,必須重複曝光很多次。這對某些惰性樣本可行,但無法用於其他脆弱的樣本。例如,雷射雕刻玻璃只能照射一次雷射脈衝,拍攝影像的時間甚至不到 1 皮秒(picosecond,10–12 秒)。因此在這種情形下,就要有能在極短時間即時捕捉整個過程的成像技術。

壓縮超高速成像技術(compressed ultrafast photography,CUP)雖然每秒能產生 1 千億張影像,但這樣的速度仍不足以拍攝飛秒雷射的影像。因此,INRS 應用運算成像實驗室主任梁晉陽博士與加州理工學院合作,以飛秒超高速掃描相機(femtosecond streak camera)為基礎,並運用在斷層掃描上用來接收檔案的技術,建造出稱為 T-CUP 的新系統,這是 10-Trillion-frame-per-second CUP 的簡稱。

研究團隊成員加州理工學院醫學工程系與電子工程系的汪立宏教授表示:「如果只使用飛秒超高速掃描相機,影像品質就會受到限制。因此為了改善影像品質,我們增加了另一台可以捕捉靜態影像的相機。這兩台相機結合後,我們就可以使用雷登轉換(Radon transformation),在每秒 10 兆張影像的速度下獲取高畫質的影像。」

未來用途

T-CUP 首次使用就取得了突破性進展,捕捉到即時的飛秒雷射脈衝變化。研究人員共拍了 25 張間隔時間為 400 飛秒的照片,並記錄到光脈衝的形狀、強度及傾斜角度。

T-CUP 也創下了即時成像的世界紀錄。由於每秒能拍攝 10 兆張影像,在如此快的速度下,已經幾乎可以暫停時間以觀察各種現象,甚至是觀察到慢速行進的光線。未來該技術不但可催生應用於生物醫學、材料科學等領域的新一代顯微鏡,也能讓科學家得以分析極短時間下的光與物質間相互作用。

梁博士表示:「這台相機本身已經是一項了不起的成就,但是我們更預見了每秒 1 千兆張照片的可能性!如此的速度之下,我們就能對光與物質之間的相互作用發掘出更多未知的秘密。」

 

參考資料:

  1. Thibault, S., (2018, October 11). World’s fastest camera freezes time at 10 trillion frames per second. INRS
  2. Liang, J. et al.,  (2018), Single-shot Real-time Femtosecond Imaging of Temporal Focusing. Light: Science & Applications
  3. Liang, J. et al., (2018), Single-shot ultrafast optical imaging. Optica
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