光速相機捕捉瞬間動作

一個超快相機開發團隊表示，一種新的高速攝影方法可能有助於捕捉到光脈衝、爆炸或大腦中神經元放電的最清晰畫面。這項技術涉及在單次曝光中以每秒 1000 億幀的速度進行拍攝，而無需外部光源。這意味著，例如，無需引發多次爆炸來收集足夠的資料，以建立精確重建化學物質如何反應以產生爆炸的影片。

聖路易斯華盛頓大學的一個研究團隊在兩年前推出了他們的“單次壓縮超快攝影”相機。上週，他們在Optica上發表了一項研究，描述了他們對原始相機的改進，使其能夠以更高的空間解析度、更高的對比度和更清晰的背景重建影像——這些都是詳細觀察高速事件的關鍵品質。華盛頓大學生物醫學工程教授、該研究的合著者王立宏表示，這款相機比普通 iPhone 上的相機快 30 億倍。

更清晰的影像來自新增第二個積體電路（一種稱為電荷耦合器件或 CCD 的感測器）以及團隊原始設定中增強的資料重建演算法。該演算法從兩個 CCD 收集資料，以提供更高質量的影像。研究人員透過拍攝皮秒雷射脈衝在空氣中傳播的電影來展示這些升級。（一皮秒等於一萬億分之一秒。）

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王說，這種相機未來可能證明有用的一個領域是捕捉有關大腦神經網路如何運作的資訊，而不僅僅是它們如何連線。他使用了以下類比：如果將神經網路表示為城市街道，那麼當前的成像技術使科學家只能看到這些街道的佈局。需要新技術來觀察穿梭於街道的交通，並瞭解整個系統如何運作。王希望他的工作最終對白宮大腦計劃有用，該計劃於 2013 年啟動，旨在透過開發和使用新技術來更好地瞭解大腦功能。

新的超快技術的另一個優點是它不需要雷射或其他外部光源。王說：“如果你需要外部照明，那麼你必須將其與相機同步。在某些情況下，你不想或不能這樣做——你想對某些物體（如爆炸）的原始發射進行成像。”現在，當人們研究此類事件時，他們會使用“泵浦-探測”方法，這需要他們多次重複該事件並將資料拼湊成單個影片。王補充說：“我們的相機可用於單次事件的即時成像，以極高的速度一舉捕獲所有內容。”

單次壓縮超快攝影相機可用於對明亮的熒光物體成像，但目前沒有足夠的靈敏度來捕捉神經元的詳細影像。東京大學物理化學教授五田圭介是 2014 年構建“順序定時全光學對映攝影”相機的小組的研究人員之一，該相機可以以每秒 4.4 萬億幀的速度拍攝照片。但是，與王和他的同事開發的裝置不同，日本的相機需要閃光燈——儘管閃光燈只持續一飛秒或萬億分之一秒——來照亮其拍攝物件。

五田沒有參與該團隊的研究，他說，華盛頓大學的相機也缺乏拍攝以飛秒級發生的化學反應清晰圖片所需的速度。王反駁說，速度綽綽有餘，並且理論上估計靈敏度足夠，儘管尚未經過測試。王說：“我們正在尋求資金來進行[該]實驗。”

考慮到政府在“大腦”專案上投入的資金量——僅在 2015 財年就投入了 8500 萬美元——王和他的團隊可能不必等待太久。