光速相机捕捉瞬间动作

一个超快相机开发团队表示，一种新的高速摄影方法可能有助于捕捉到光脉冲、爆炸或大脑中神经元放电的最清晰画面。这项技术涉及在单次曝光中以每秒 1000 亿帧的速度进行拍摄，而无需外部光源。这意味着，例如，无需引发多次爆炸来收集足够的数据，以创建精确重建化学物质如何反应以产生爆炸的视频。

圣路易斯华盛顿大学的一个研究团队在两年前推出了他们的“单次压缩超快摄影”相机。上周，他们在Optica上发表了一项研究，描述了他们对原始相机的改进，使其能够以更高的空间分辨率、更高的对比度和更清晰的背景重建图像——这些都是详细观察高速事件的关键品质。华盛顿大学生物医学工程教授、该研究的合著者王立宏表示，这款相机比普通 iPhone 上的相机快 30 亿倍。

更清晰的图像来自添加第二个集成电路（一种称为电荷耦合器件或 CCD 的传感器）以及团队原始设置中增强的数据重建算法。该算法从两个 CCD 收集数据，以提供更高质量的图像。研究人员通过拍摄皮秒激光脉冲在空气中传播的电影来展示这些升级。（一皮秒等于一万亿分之一秒。）

支持科学新闻报道

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王说，这种相机未来可能证明有用的一个领域是捕捉有关大脑神经网络如何运作的信息，而不仅仅是它们如何连接。他使用了以下类比：如果将神经网络表示为城市街道，那么当前的成像技术使科学家只能看到这些街道的布局。需要新技术来观察穿梭于街道的交通，并了解整个系统如何运作。王希望他的工作最终对白宫大脑计划有用，该计划于 2013 年启动，旨在通过开发和使用新技术来更好地了解大脑功能。

新的超快技术的另一个优点是它不需要激光或其他外部光源。王说：“如果你需要外部照明，那么你必须将其与相机同步。在某些情况下，你不想或不能这样做——你想对某些物体（如爆炸）的原始发射进行成像。”现在，当人们研究此类事件时，他们会使用“泵浦-探测”方法，这需要他们多次重复该事件并将数据拼凑成单个视频。王补充说：“我们的相机可用于单次事件的实时成像，以极高的速度一举捕获所有内容。”

单次压缩超快摄影相机可用于对明亮的荧光物体成像，但目前没有足够的灵敏度来捕捉神经元的详细图像。东京大学物理化学教授五田圭介是 2014 年构建“顺序定时全光学映射摄影”相机的小组的研究人员之一，该相机可以以每秒 4.4 万亿帧的速度拍摄照片。但是，与王和他的同事开发的设备不同，日本的相机需要闪光灯——尽管闪光灯只持续一飞秒或万亿分之一秒——来照亮其拍摄对象。

五田没有参与该团队的研究，他说，华盛顿大学的相机也缺乏拍摄以飞秒级发生的化学反应清晰图片所需的速度。王反驳说，速度绰绰有余，并且理论上估计灵敏度足够，尽管尚未经过测试。王说：“我们正在寻求资金来进行[该]实验。”

考虑到政府在“大脑”项目上投入的资金量——仅在 2015 财年就投入了 8500 万美元——王和他的团队可能不必等待太久。