Создана камера, записывающая триллион кадров в секунду

"Во Вселенной нет ничего, что было бы слишком быстрым для этой камеры", - скромно заявляет потсдок Андреас Фельтен (Andreas Velten), один из авторов новой разработки.
Действительно в видеоролике ниже для примера показано, как камера регистрирует продвижение светового луча по литровой бутылке из-под газировки. В реальности этот процесс занимает около наносекунды. В замедленной съёмке мгновение можно растянуть на минуту.

Созданная учёными из MIT система называется Femto Photography, так как для освещения объектов съёмки используется фемтосекундный (10-15 c) титан-сапфировый лазер, который испускает импульсы через каждые 13 наносекунд (10-9 c).

Основой системы является электронно-оптическая камера, которая была создана для регистрации изменений интенсивности световых импульсов во времени. Отверстие в этой камере представляет собой тонкую щель. Лазерные импульсы (если точнее фотоны), отражаясь от предметов, попадают в щель, внутри они попадают в электрическое поле, которое направляет их на пикосекундные детекторы камеры. Последних около 500.

Электрическое поле меняется очень быстро, из-за этого камера имеет возможность отделить фотоны, которые попали в камеру раньше, от тех, что "пришли" позже. В результате "изображение" получается двумерным. Но только одно из измерений при этом пространственное. Вторым является время, которое определяется углом отклонения фотонов.

У "щелевой камеры" хороший угол обзора, но по вертикали "развёртка" камеры, по понятным причинам, невелика. Из-за этого при каждом пробеге импульса учёные получают "видеоролик", показывающий лишь часть объекта съёмки ("одномерный" ролик). Затем при помощи системы зеркал "взгляд" камеры поворачивается и делается новое видео, итак снова и снова. Все действия системы жёстко связаны, чтобы специальный алгоритм затем мог сшить полученные "фильмы" в один.

Один двумерный видеоролик Femto Photography монтируется из 480 кадров, каждый из которых экспонируется в течение 1,71 пикосекунды (аналог времени экспонирования в обычной камере) и имеет разрешение 500 на 600 пикселей. Чтобы получить конечное видео, демонстрирующее пробег импульса длительностью всего в наносекунду, требуется час съёмки. Из-за этого Рамеш Рашкар (Ramesh Raskar), глава MIT Media Lab, в которой была создана система, в шутку называет новое изобретение "самая медленная самая быстрая камера в мире".

Отметим для сравнения, что современные высокоскоростные камеры (используемые в науке и киноиндустрии) могут снимать несколько миллионов кадров в секунду. Они, как правило, работают так же, как и обычные потребительские цифровые камеры (чувствительная матрица ловит сигнал, приходящий от линз, конвертирует его в цифровой и записывает на диск). Однако их "способности" ограничены временем, необходимым для прохождения электрического сигнала по проводам в чипы (порядка 500 пикосекунд). Так как электронно-оптическая камера не нуждается в электронике для непосредственной записи падающего света, она действует быстрее.

Впрочем, и Femto Photography при всей своей скорости не может похвастаться идеальными характеристиками. Ведь для того чтобы записать видео, учёным необходимо долго снимать неподвижный объект (или повторяющееся действие). Это ограничивает области возможного практического применения системы.

Так, Femto Photography, вероятно, пригодится в изучении структуры новых материалов или биологических тканей ("ультразвуковое исследование светом", сравнивает Рашкар). Ещё один вариант – продвинутая вспышка для фотокамер. "Предел мечтаний - научить обычную камеру создавать иллюзию студийного света. Наша ультраскоростная съёмка позволяет проанализировать движение фотонов. Это означает, что затем мы можем создать фотографию, на которой фотоны как бы начали своё движение в другом месте", - говорит Рамеш.

Очень подробно о принципе работы новой камеры рассказывает статья учёных. В видеоролике ниже создатели кратко рассказывают о своём изобретении, далее показано освещение фемтосекундным лазером самых разных объектов.

Отметим, что ранее команда Раскара создала камеру, которая может снимать то, что происходит за углом, и камеру, способную наводить резкость фотографии уже после съёмки кадра. Лаборатории MIT Media Lab также принадлежит много других интересных технических решений.