Камера, снимающая с частотой 2 000 000 000 кадров в секунду

Да, я не ошибся с числом нулей. Да, есть нюансы в технике съёмки этой камерой. Но она позволяет получить видео такого быстрого процесса, как распространение света лазера, с частотой в 2 миллиарда кадров в секунду в HD разрешении.

Приложу оригинальное видео, а ниже перескажу устройство технической части.

Как это работает

Если кратко: один фотоэлемент, поворотное зеркало, сэмпл��рование с частотой 2 ГГц и повторяемый тысячи раз процесс.

Если развёрнуто, то читайте дальше.

Почему именно так

Если оценивать современный уровень технологий, то пока человечество не может создать камеру, снимающую с частотой выше одного-двух миллионов кадров в секунду. При этом детализация картинки будет не выше, чем у иконки этого сайта.

Основные причины этого: сложность создания массива быстрых фотодатчиков (сенсорной матрицы) и скорость передачи данных от такого сенсора в накопитель данных.

Если разместить рядом несколько очень чувствительных фотодатчиков, то они будут улавливать помехи от работы своих соседей.

Для передачи несжатых изображений разрешением 32х32 пикселя в оттенках серого с дискретностью 8 бит с частотой в 1 миллион кадров в секунду потребуется канал передачи с пропускной способностью около 1 гигабайта в секунду.

При повышении частоты кадров в 2000 раз (как в видео выше), потребуется канал с пропускной способностью уже в 2 терабайта в секунду. Это, скажу я вам, немало.

А для HD разрешения счёт пойдёт уже на единицы петабайт в секунду.

Инженерные фокусы

Если сделать некоторые допущения, то частоту кадров и детализацию можно поднять на несколько порядков (относительно существующих камер).

Например мы собираемся заснять процесс, который можно повторять раз за разом в точности. Тогда мы можем снимать разные участки сцены по очереди в каждом цикле, что снизит требования к пропускной способности и стойкости к шумам в тысячи раз.

И вот у нас есть множество видеороликов размерами 1х1 пиксель с нужной частотой кадров, которые останется только склеить в один с высоким разрешением.

Зеркало

Чтобы направлять свет из разных частей сцены на фотоэлемент, можно использовать поворотное зеркало.

Конструкция очень проста и позволяет сканировать всю сцену с нужной детализацией.

Такой процесс называется сканированием с построчной развёрткой ^[1].

Оптика

Тут особо нечего объяснять, просто пара линз фокусируют свет после зеркала на фотоэлемент.

Можно почитать на википедии про оптической объектив ^[2], если интересно.

Фотоэлемент

В качестве сенсора автор ролика использует вакуумный прибор под названием фотоумножитель ^[3]:

Между электродами этого прибора постоянно протекает небольшой электрический ток в виде электронов, испускаемых материалом катода (отрицательного электрода). При попадании на этот электрод фотона (частицы светового излучения), его энергия передаётся электроду и поток электронов из катода увеличивается, пропорционально увеличивая протекающий электрический ток.

В таких приборах используются несколько усиливающих каскадов, в которых поток электронов предыдущего каскада усиливает электрический ток в следующем каскаде.

Фотоумножители могут быть настолько чувствительными, что реагируют на попадание даже одного фотона (минимальной единицы световой энергии). По этой причине у автора видео были некоторые сложности с зашумлённым сигналом датчика даже ночью с заклеенными окнами гаража.

Получение данных

Чтобы превратить аналоговый сигнал от датчика в цифровые данные в компьютере, использовался обычный осциллограф с частотой измерения в 2 ГГц (2 миллиарда в секунду) или 2 гигасэмпла в секунду. Осциллограф может начать запись измеряемых данных по триггеру, которым может быть, например, импульс от электрической цепи, включающей лазер в снимаемой сцене.

В полном ролике можно увидеть немного орочьих технологий для получения такого импульса осциллографом на один вход (у осциллографа в видео частота измерения в 2 ГГц обеспечивалась только при измерении одним входом, при измерении двумя она уже делилась пополам и составляла 1 ГГц на каждый вход).

Затем простая программа на компьютере получает данные из осциллографа и собирает однопиксельные видео в полноценный ролик.

Возможно у кого-то из в��с всплывёт в памяти ролик про фемтосекундную камеру из 2011 года, и кое-что схожее в этих двух системах есть.

Правда камера тут использовалась сложнее и она способна за один раз записывать целую строку видео, а не один пиксель. К тому же с частотой кадров ещё в 500 раз выше.

Дополнительные пояснения

Конечно же в обоих роликах мы видим не само излучение лазера, а свечение частиц пара и пыли в воздухе или взвеси в воде бутылки, которые уже излучают свои фотоны под действием энергии фотонов лазера.

В первом ролике с лучами (не с фемтосекундной камерой) нет цвета, все видео изначально в оттенках серого и просто покрашены в цвет излучения лазера ^[4], которое имеет строго одну длину волны и, соответственно, цвет. Поэтому даже после всех переотражений сцена будет освещена одним цветом и записывать цветное видео этой сцены не требуется.

Подписывайтесь на мемовый канал ^[5], ставьте лайки, а я и дальше буду корчить из себя научпоппера.