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【天富测速登录】超快速摄像机揭示了如何在飞行中捕捉光脉冲?

镜头是介于鬼魅与普通之间的东西:一个微小的激光脉冲在方框图案中划过,就像在霓虹灯店面招牌中移动。但这个脉冲不仅仅是满足眼睛的需求,更多的是让眼睛跟随的图案,而且没有好的隐喻。它很简单、很鲜明地展示了一个完整的光的爆发(一个有前有后的脉冲),这是用静止的图像捕捉到的在飞行中的光子。

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瑞士纳沙泰尔大学高级量子体系结构(AQUA)实验室的电气工程师和光学专家去年在大流行期间使用单光子雪崩二极管摄像机或SPAD拍摄了这段录像。它的固态光电检测器能够非常高精度地测量时间,因此也能测量距离,即使单个像素被单个的光粒子或光子撞击也是如此。

与照相机制造商佳能合作的瑞士洛桑联邦理工学院的Edoardo Charbon和他的同事在2019年底在他们称为Mega X的小型照相机中开发百万像素大小的SPAD阵列。它可以分辨一百万个像素并非常快速地处理此信息。

由Charbon领导的AQUA小组(当时由纳米技术获奖者 森本和宏,吴明Lo和Andrei Ardelean组成)将Mega X同步到了飞秒激光。他们通过使用在派对商店购买的干冰制成的水蒸气气溶胶来发射激光。

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光子撞击水滴,其中一些散射向相机。借助能够实现百万像素分辨率的传感器,该相机可以每秒捕获24,000帧,曝光时间快至3.8纳秒。

Mega X中使用的那种光电探测器已经开发了数十年。实际上,SPAD成像仪可以在智能手机相机,工业机器人和实验室光谱学中找到。纳沙泰尔实验室捕获的镜头称为飞行中的光。麻省理工学院的拉梅什·拉斯卡尔(Ramesh Raskar)分别在2010年和2011年使用了条纹相机(一种用于化学应用的相机)来产生2D图像并在飞行中拍摄飞影,这被他称为femtophotography。

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空中光成像技术的发展至少可以追溯到1970年代后期,当时斯德哥尔摩皇家技术学院的尼尔斯·艾布拉姆森(Nils Abramson)使用全息术来记录光波前。2015年,爱丁堡的Genevieve Gariepy,Daniele Faccio和其他研究人员使用SPAD展示了飞行中的光的镜头。最初的飞行中图像需要花费数小时才能构建,但Mega X相机可以在几分钟内完成。

百万像素SPAD相机的潜在用途是在制图,传真制作和图像记录中对风景和大型物体进行更快,更详细的光范围3D扫描。例如,百万像素SPAD技术可以极大地增强LiDAR成像和Factum Foundation在研究埃及法老王Seti I墓时所做的建模 。

现在位于格拉斯哥大学的Faccio正在使用SPAD成像来获得更好的时间分辨的细胞代谢荧光显微镜图像。与Raskar的MIT小组一样,Faccio希望将该技术应用于人体成像。

AQUA研究人员能够在他们的镜头中观察到一种称为超腔运动的天体物理效应,这是一种类似于多普勒效应的幻觉。只有在这种情况下,观察者才会看到光加快了,这实际上并不能实现,它已经以光速行进了。

Charbon的思想更为广泛。他说:“这就像传统相机一样,只是在每个像素中您都可以看到每个光子。”

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