Группа ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, возглавляемая профессором Ген K Беаре (Gene K. Beare) и доктором философии Лихонгом Ванном (Lihong Wang), создала новуюсверхскоростную камеру, которая позволяет ученым запечатлевать ход крайне быстротекущих процессов и явлений, таких, как движение и отражение от зеркала импульса лазерного света. В новой камере использована технология сверхбыстрой сжатой съемки (compressed ultra-fast photography, CUP) и в основе этой технологии лежит метод, позволяющий получать достаточно качественные изображения из меньшего количества данных, получаемых светочувствительным датчиком.

Новая CUP-камера позволяет снимать со скоростью около 100 миллиардов кадров в секунду. И при этом, она еще не является самой быстрой камерой в мире, такой камерой является устройство, появившееся на свет в 2011 году, которое может обеспечить скорость съемки на уровне одного триллиона кадров в секунду. Но, в отличие от других камер-рекордсменов, которые могут производить съемку одинаковых чередующихся событий, новая CUP-камера способна снять непосредственно сразу все то, что видит ее объектив.



Камера фотографирует объект при помощи специального сложного объектива, который проводит фотоны света через ряд преобразований к поверхности небольшого устройства. Это устройство, digital micromirror device (DMD), и является "сердцем" всей камеры. Оно имеет размеры, сопоставимые с размерами небольшой монеты, но на его поверхности находится около 1 миллиона крошечных согласованных микрозеркал, размеры каждого из которых составляют 7 на 7 микрометров.

Эти зеркала выполняют двойную роль, во-первых, они разбивают изображение на пикселы, удаляя те пикселы, которые заключают в себе избыточную информацию. Оставшаяся часть отраженного света направляется в сторону щелевой широкополосной камеры, где при помощи двух электродов происходит превращение фотонов в электроны, обладающие различной энергией, т.е. скоростью движения. На электроды подается высокочастотное пилообразное электрическое напряжение, которое выполняет роль отклоняющей системы развертки камеры, заставляя электроны с разной энергией ударить в поверхность чувствительного датчика в определенных местах, соответствующих их энергии. И все эти преобразования выполняются в камере очень быстро, в течение порядка 5 пикосекунд.

Кадры, точнее, данные, полученные датчиком CUP-камеры еще не являются собственно кадрами. Кадры изображения получаются позже, после обработки компьютером, который использует алгоритмы так называемого цифрового восстановления изображения. Естественно, из ограниченного набора данных, получаемых датчиком камеры, не получается составить качественное изображение с высокой разрешающей способностью. Но и того, что получается, вполне достаточно для того, чтобы увидеть процесс отражения света, процесс изменения скорости и траектории движения света в момент пересечения границы между двумя разными средами, и многие другие процессы, которые происходят быстрее, чем могут двигаться фотоны света.

Наличие высокоскоростной CUP-камеры, способной снимать быстрые процессы за один раз, позволит инженерам и ученым увидеть те явления из области оптических коммуникаций и квантовой механики, которые до этого были скрыты от человеческих глаз. К примеру, такая камера может визуализировать процесс преломления света вокруг структур метаматериалов, из которых изготавливают сейчас многочисленные устройства сокрытия, плащи-невидимки. Эта камера способна снять колебания луча света, попавшего в зазор очень малой величины, и процесс передачи квантовой информации от кубита к импульсу света и наоборот.