全球最快相機有多快？

今年 4 月，美國國家工程院院士、加州理工學院醫學工程系與電子工程系 Bren 講席教授汪立宏及其團隊成功研發出每秒高達 70 萬億幀的拍照系統。

每秒 70 萬億幀是一個什么概念？快到足以捕捉傳播中的光波。而目前最好的手機攝像頭僅能實現每秒記錄 1000 幀以下的慢動作。

研究人員表示，這種超快速相機或將在生命科學領域以及各種各樣的極快現象（如超短光傳播、波傳播、核聚變等），可以通過探測超快的基礎物理世界來幫助打造更小、更靈敏的電子產品。

但有個問題，這種超快速相機就像大部分人手機上的攝像頭一樣，只能產生平面圖像。有沒有一種速度極快、又能拍攝 3D 照片或視頻的相機？

近日，汪立宏及其團隊在這一領域再次取得突破，新型超快速相機可以通過模仿人眼拍攝 3D 視頻，速度高達每秒 1000 億幀。相關研究論文已于 10 月 16 日在線發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上。

這種新型超快速相機與汪立宏此前研發的其他壓縮超快攝影（compressed ultrafast photography，CUP）相機使用相同的基礎技術，在你一眨眼的時間內，就足以拍下 100 億張照片，比全世界人口的數量還要多。汪立宏將新一代超快速相機背后的技術稱為 SP－CUP（single－shot stereo－polarimetric compressed ultrafast photography）。

在 CUP 技術中，視頻的所有幀都被捕捉在一個動作中，而不會重復該事件。這使得 CUP 相機的拍攝速度非常快。汪立宏通過讓相機像人一樣 “看”，在原來 CUP 相機的基礎上增加了另一個維度。

圖｜SP－CUP 系統原理圖

當一個人看他們周圍的世界時，他們會感覺到有些物體離他們近，有些物體離他們遠，之所以會這樣，是因為我們的每只眼睛觀察物體及其周圍的角度略有不同，來自兩只眼睛觀察到的信息可以被大腦組合成一幅 3D 圖像。 汪立宏表示，SP－CUP 相機的工作原理基本相同。“現在的相機是立體的，我們有一個鏡頭，但它模仿我們的眼睛，提供了兩種視角的偏移。” 就像大腦處理從眼睛接收到的信號一樣，運行 SP－CUP 相機的計算機可以將兩個來源的數據處理成一個 3D 視頻。

圖｜3D 視頻顯示激光脈沖穿過激光散射介質并從反射表面反射回來

此外，SP－CUP 還具有另一項人類沒有的功能：可以看到光波的偏振。

光的偏振是指光波在傳播過程中振動的方向。以吉他弦為例，如果弦向上拉（比方說，用手指拉），然后松開，繩子就會垂直振動；如果手指橫向拉弦，弦就會水平振動。普通光線具有向各個方向振動的波。然而，偏振光被改變了，所以它的波都朝著同一個方向振動。這可以通過自然的方式發生，比如光線從表面反射，或者是人工操作的結果，比如偏振濾鏡。

雖然我們的眼睛無法直接探測光的偏振，但這一現象已被廣泛應用：從液晶顯示屏到偏光太陽鏡和光學相機鏡頭，再到探測材料中隱藏的應力和分子的三維構型的設備。汪立宏認為，SP－CUP 的高速 3D 圖像和偏振信息的使用使它成為一個強大的工具，可能適用于各種各樣的科學問題。

特別是，他希望它能幫助研究人員更好地理解聲致發光的物理原理。聲致發光是一種聲波在水或其他液體中產生微小氣泡的現象，當氣泡形成后迅速坍塌時，它們會發出一束光。

“有些人認為這是物理學中最大的謎團之一，當一個氣泡坍縮時，它的內部會達到很高的溫度，以至于會發光。這一切發生的過程非常神秘，因為一切都發生得太快了，我們想知道我們的相機能否幫助我們弄清這一點。” 汪立宏說。

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