“快点好，越快越好”是我们在操作许多设备时的基本思想。我们来看看采用闪光灯的胶片相机，拍摄时其闪光速度可快至十万分之一秒，这个项目在1930年代就开始了，由麻省理工学院的Harold “Doc” Edgerton教授领头。他的许多“定格”照已成为人们熟知的图标，其中包括图1所示的照片，还有数百张其它照片发布在专门的网上画廊。Edgerton最初研究的是单拍功能，后来又开发了多拍系统，可以拍摄一系列闪光间隔一样的图像。这一成果着实令人惊讶，已成为跨学科科学研究的基础。
图1：Doc Edgerton使用闪光灯拍摄的许多图像中的一张。这张照片旨在“博人眼球”，其他照片则更注重科学研究。（图片来源：Edgerton Digital Collections）
加州理工学院的一个研究团队最近开发了一个新系统，能以每秒70万亿帧的速度拍摄图像，我很想知道如果Doc Edgerton见到这个系统会说什么。与多帧图像拍摄相机不同，该系统不只是对1个或几个帧执行操作，而是对多达1000个帧连续执行操作。一些连续拍摄图像的系统要求对象是重复性事件，每个周期拍摄一个图像，周期时移很小但很精确。新系统则与之不同，它可以同时满足单拍事件的帧率和帧数要求，这是其主要优点。研究人员认为，不可思议的拍摄速度对于快速应用场景非常有用，如超短光传播、分子的辐射衰减、孤子形成、冲击波传播、核聚变、扩散介质中的光子传输，以及凝聚态的形态瞬变。
该图像拍摄系统由加州理工学院医学工程系与电气工程系的布伦（Bren）特聘教授汪立宏领导的团队开发，结合了模拟、数字与电光技术，令人难忘。汪教授将这一技术称为压缩超快光谱摄影（CUSP），它将发射飞秒脉冲激光的激光器与光学器件及相机结合在一起，与传统的模拟（胶片）或数字技术完全不同。该系统利用先进的电光和光学物理原理，同时考虑了光的量子特性及其相互作用，如图2所示。在照明部分，一对分束器和一个玻璃棒将飞秒脉冲转换成时间线性的啁啾脉冲序列，相邻子脉冲的时间间隔为tsp，可根据实验进行调整。得到的图像既包括水平方向光栅的光谱色散，也包括垂直方向条纹相机的暂态剪切。
图2：实现70万亿fps成像的主动CUSP系统原理图：a）完整的系统示意图；b）频谱色散方案的详细图示（黑色虚线框）；c）s-View中原始CUSP图像的组成。[缩写：BS–分束器；DMD-数字微镜器件；G-衍射光栅；L-镜头；M-镜子。]（图片来源：Caltech）
系统的一个关键组件是条纹相机，它将几乎已经过时的老式阴极射线管（CRT）的某些功能与基于CCD的成像器结合起来，如图3所示。光学器件可将单个飞秒激光脉冲分解成更短的脉冲序列，每一个脉冲都能在相机中产生一个图像。随脉冲到达的光子会产生相应的光电子，扫描电极将垂直排列这些光电子，并根据其到达的时间先后将图像分开。如图所示，扫描电极之间的红点表示在不同时间到达的加速光电子，其中上面的光电子比下面的光电子到达时间早。在条纹模式下，扫描电压将被施加到扫描电极，聚焦模式下则不施加扫描电压。
图3：条纹相机原理图，到达的光子脉冲所产生的电子按光子脉冲到达的时间先后排列。（图片来源：加州理工学院）
研究人员对系统工作原理所作的“高级”描述，听起来像是出自电影《星际迷航》或《迷离境界》：“它在与时间剪切正交的方向采用频谱色散，突破了速度的限制，并扩展到时谱压缩。”虽然前面提到的每种技术都已在使用，但是将它们结合在一起显然极具创新，而且理论上比实践中更容易实现。
我并不打算对该系统的工作原理做全面总结，因为研究人员已在Nature Communications上发表了既深入又易懂的9页学术论文“Single-shot ultrafast imaging attaining 70 trillion frames per second”，这篇论文更加专业和权威。他们还提供了40页的补充信息，增加了一些设置细节，提供了分析物理现象及错误源的复杂数学计算，还有相关的操作视频。（毫不奇怪，这一项目是由美国国立卫生研究院部分资助的。）
图像拍摄速度提升至超过万亿fps/1000帧，这确实令人惊喜，尤其引人注目的是，这一成果的获得是因为将电子、光学、激光、成像CCD和数字信号处理等截然不同的技术结合起来，形成了一个相互支持的结构。研究人员将“筒仓”（这个词让人有点审美疲劳）分解后设计了一个系统，不是这个系统比各部分之和要大，而是不同的部分已经组成一个全新的系统，就像将氧气和氢气结合得到水，但水与氧气和氢气已完全不同了。
（原文刊登于Planet Analog欧洲版，参考链接：Can your camera capture trillions of frames per second? This one can。）
本文为《电子技术设计》2020年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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