Phim máy ảnh siêu nhanh Phim 3-D ở tốc độ 100 tỷ khung hình/giây

8

Trong nhiệm vụ mang máy ảnh ngày càng nhanh hơn ra thế giới, Lihong Wang của Caltech đã phát triển công nghệ có thể đạt tốc độ chóng mặt 70 nghìn tỷ khung hình / giây, đủ nhanh để nhìn thấy ánh sáng truyền đi. Tuy nhiên, giống như máy ảnh trong điện thoại di động của bạn, nó chỉ có thể tạo ra hình ảnh phẳng.

Giờ đây, phòng thí nghiệm của Wang đã tiến thêm một bước nữa để tạo ra một chiếc máy ảnh không chỉ quay video với tốc độ cực nhanh mà còn quay được ở cả ba chiều. Wang, Giáo sư Kỹ thuật Y tế và Kỹ thuật Điện Bren tại Khoa Kỹ thuật Y tế Andrew và Peggy Cherng, mô tả thiết bị này trong một bài báo mới trên tạp chí Nature Communications.

Máy ảnh mới, sử dụng công nghệ cơ bản giống như các máy ảnh chụp ảnh siêu nhanh nén (CUP) khác của Wang, có khả năng chụp lên đến 100 tỷ khung hình mỗi giây. Đó là tốc độ đủ nhanh để chụp 10 tỷ bức ảnh, nhiều hơn toàn bộ dân số trên thế giới, trong thời gian bạn chớp mắt.

Wang gọi sự lặp lại mới là “chụp ảnh siêu nhanh nén phân cực stereo-chụp một lần” hay SP-CUP.

Trong công nghệ CUP, tất cả các khung hình của video được ghi lại bằng một hành động mà không lặp lại sự kiện. Điều này làm cho một máy ảnh CUP cực kỳ nhanh chóng (một máy ảnh điện thoại di động tốt có thể chụp 60 khung hình mỗi giây). Wang đã thêm chiều thứ ba vào hình ảnh siêu nhanh này bằng cách làm cho máy ảnh “nhìn thấy” giống như con người.

Khi một người nhìn thế giới xung quanh, họ nhận thấy rằng một số vật thể ở gần họ hơn, và một số vật thể ở xa hơn. Có thể nhận biết chiều sâu như vậy là do hai mắt của chúng ta, mỗi mắt đều quan sát các vật thể và môi trường xung quanh từ một góc độ hơi khác nhau. Thông tin từ hai hình ảnh này được não bộ kết hợp thành một hình ảnh 3-D duy nhất.

Wang nói, máy ảnh SP-CUP hoạt động theo cùng một cách.

“Máy ảnh bây giờ là âm thanh nổi”, anh ấy nói. “Chúng tôi có một thấu kính, nhưng nó hoạt động như hai nửa cung cấp hai chế độ xem với độ lệch. Hai kênh bắt chước đôi mắt của chúng ta.”

Giống như bộ não của chúng ta làm với các tín hiệu mà nó nhận được từ mắt của chúng ta, máy tính chạy camera SP-CUP xử lý dữ liệu từ hai kênh này thành một bộ phim ba chiều.

SP-CUP cũng có một sự đổi mới khác mà chưa có con người nào sở hữu: khả năng nhìn thấy sự phân cực của sóng ánh sáng.

Sự phân cực của ánh sáng đề cập đến hướng mà sóng ánh sáng dao động khi chúng truyền đi. Hãy xem xét một dây đàn guitar. Nếu kéo sợi dây lên trên (bằng một ngón tay) rồi thả ra, sợi dây sẽ dao động theo phương thẳng đứng. Nếu ngón tay kéo nó sang ngang, dây sẽ rung theo chiều ngang. Ánh sáng thông thường có sóng dao động theo mọi phương. Tuy nhiên, ánh sáng phân cực đã bị thay đổi để các sóng của nó đều dao động theo cùng một hướng. Điều này có thể xảy ra thông qua các phương tiện tự nhiên, chẳng hạn như khi ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt hoặc do thao tác nhân tạo, như xảy ra với các bộ lọc phân cực.

Mặc dù mắt chúng ta không thể phát hiện trực tiếp sự phân cực của ánh sáng, nhưng hiện tượng này đã được khai thác trong một loạt các ứng dụng: từ màn hình LCD đến kính râm phân cực và ống kính máy ảnh trong quang học cho đến các thiết bị phát hiện ứng suất ẩn trong vật liệu và cấu hình ba chiều của phân tử.

Wang nói rằng sự kết hợp giữa hình ảnh ba chiều tốc độ cao và sử dụng thông tin phân cực của SP-CUP khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ có thể áp dụng cho nhiều vấn đề khoa học. Đặc biệt, ông hy vọng rằng nó sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về vật lý của hiện tượng siêu phát quang, một hiện tượng mà sóng âm thanh tạo ra các bong bóng nhỏ trong nước hoặc các chất lỏng khác. Khi bong bóng nhanh chóng sụp đổ sau khi hình thành, chúng phát ra một vụ nổ ánh sáng.

Ông nói: “Một số người coi đây là một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lý. Khi một bong bóng xẹp xuống, bên trong của nó đạt đến nhiệt độ cao đến mức tạo ra ánh sáng. Quá trình khiến điều này xảy ra rất bí ẩn vì tất cả diễn ra quá nhanh và chúng tôi đang tự hỏi liệu máy ảnh của chúng tôi có thể giúp chúng tôi tìm ra điều đó hay không.”

Bài báo mô tả công việc, có tiêu đề, “Chụp ảnh siêu nhanh nén phân cực âm thanh nổi một lần để quan sát tốc độ ánh sáng của chuyển đổi quang học chiều cao với độ phân giải pico giây”, xuất hiện trên tạp chí Nature Communications ngày 16 tháng 10. Đồng tác giả là Jinyang Liang, trước đây của Caltech, hiện đang làm việc tại Institut national de la recherche scientifique ở Quebec; Peng Wang, học giả sau tiến sĩ về kỹ thuật y tế; và Liren Zhu, một cựu nghiên cứu sinh của phòng thí nghiệm Wang.

Tuấn Nguyễn (theo Viện Công nghệ California)