Инженеры из Центра энергии, материалов и Телекоммуникации при Национальном научно-исследовательском институте в Квебеке разработали SCARF — самую быструю в мире камеру, которая снимает со скоростью 156,3 триллиона кадров в секунду.

Лучшие камеры замедленной съёмки в смартфонах, как правило, снимают со скоростью пары сотен fps (кадров в секунду). Профессиональные кинематографические камеры улавливают происходящее ещё детальнее, снимая по несколько тысяч fps. Однако, если вам важно в наномасштабных деталях рассмотреть какой-либо быстрый процесс, то съёмку необходимо замедлить гораздо более кардинально — до миллиардов или даже триллионов кадров в секунду. Согласно официальным данным INRS, SCARF улавливает происходящее на уровне фемтосекунд — квадриллионных долей секунды. Для контекста, в одной секунде этих отрезков времени примерно столько же, сколько секунд в 32 миллионах лет.

Новая разработка базируется на технологии, развитие которой началось в 2014 году. Так называемая CUP — технология сжатой ультрабыстрой фотографии — могла вести съёмку со скоростью «всего» 100 миллиардов кадров в секунду. Следующий этап развития данной концепции получил название T-CUP: T в нём отображает достижение показателя в триллионы fps. Эффективность технологии в полной мере соответствовала её названию — такая камера могла снимать до 10 триллионов кадров в секунду. И наконец, в 2020 году ей на смену пришла CUSP — сжатая ультрабыстрая спектральная фотография с 70 триллионами fps.

Новая система, представленная в 2024 году, называется SCARF или swept-coded aperture real-time femtophotography (фемтофотография в реальном времени с оптическим сканированием статической кодирующей апертуры). Она способна улавливать явления, которые были недоступными для прежних ультрабыстрых систем, за счёт двукратного увеличения скорости съёмки. К примеру, данная система может наблюдать распространение ударной волны по материи или живой клетке либо отследить движение электронов между атомами в процессе химической реакции.

SCARF работает, посылая сверхкороткий лазерный импульс сквозь наблюдаемый объект или явление. Если представить луч лазера в виде радуги, то красная световая волна пронесётся и запечатлит условное событие первой, затем последует оранжевая, жёлтая и т. д. до фиолетовой. Поскольку это событие чрезвычайно скоротечно, с каждой последующей световой волной ситуация будет выглядеть иначе. Таким образом, лазер может запечатлеть каждый его этап в кратчайшие сроки. Затем лазерный импульс принимается набором компонентов, которые фокусируют, отражают, преломляют и кодируют его. В конце концов обработанный импульс достигает сенсора камеры с зарядовой связью, которая преобразует его в данные, доступные для восстановления компьютером в конечное изображение.

Вероятнее всего, простым обывателям и даже профессиональным фотографам самая быстрая камера в мире будет ни к чему. Однако SCARF может стать невероятно полезным научным инструментом сверхбыстрой визуализации для изучения поведения элементарных частиц, понимания механизмов химических реакций, исследования биологических процессов внутри живых клеток и т. д. По мнению учёных, подобная система может стать полезной для создания инновационных материалов, усовершенствованных лазеров, электроники и даже для разработки новых медицинских препаратов.

Источник: Liu, J., Marquez, M., Lai, Y. et al. Swept coded aperture real-time femtophotography