Ученые разработали систему камеры, которая фиксирует 5D-изображения

Международная группа ученых разработала экспериментальную систему камеры, которая может одновременно захватывать пять измерений информации с одного снимка. Концепция основана на объединении двух типов датчиков для сбора большего количества информации.  

Снимок пятимерного изображения с пространственно-временным и спектральным разрешением. Предоставлено: С. Чжан, Восточно-китайский педагогический университет

В исследовании говорится, что для сверхбыстрого оптического изображения критически важно уметь фиксировать структуру объекта, его временную эволюцию* и его спектральный состав. 

*Временная эволюция — это изменение состояния, вызванное переходом времени.

Тем не менее разработчики новой системы стали в тупик, поскольку до их разработки ни одна камера не могла одновременно захватывать пространственную, временную и спектральную пятимерную информацию динамических сцен.

Конфигурация и принцип работы SV-CUP.

(а) Конфигурация системы SV-CUP:
M1 и M2, зеркала; ED, спроектированный диффузор; DS, динамическая сцена; CL, объектив фотоаппарата; BS1 и BS2, светоделители (отражение/пропускание: 50/50); F1 и F2 — фильтры; G — дифракционная решетка; L1 и L2 — линзы; DMD, цифровое микрозеркальное устройство; CMOS, дополнительная металлооксидная полупроводниковая камера; SC1 и SC2, линейные камеры.

(b) Принцип работы SV-CUP:
C, оператор пространственного кодирования; Т — оператор временного сдвига; K — оператор пространственно-временного интегрирования; S — оператор спектрального сдвига; M — оператор пространственно-временного-спектрального интегрирования.

Тяжело объяснить основную идею работы простым языком. По сути, исследователи соединили сверхбыструю дальностную электронно-оптическую камеру с камерой CUP (Compressed UltraFast Photography — сжатая сверхбыстрая фотография), которая фиксирует длину волны (цвет, излучаемый объектом), а не трехмерное измерение.

Объединив эти вещи, команда смогла запечатлеть три измерения в пространстве (x, y, z) плюс измерение времени (t) плюс длину волны/цвет света (лямбда) в одном снимке.

Словарик:

CUP — compressed ultrafast photography — сжатое сверхбыстрое изображение (на иллюстрации).
SV-CUP — spectral-volumetric CUP — спектрально-объемное CUP.
ToF-CUP — time-of-flight CUP — формирующее дальностное CUP.
HCUP — hyperspectral CUP — гиперспектральное (многоканальное) CUP.

Информация 3D (x, y, z) в ToF-CUP изображении соединяется с информацией 4D (x, y, t, λ) в HCUP и формирует информацию 5D (x, y, z, t, λ) посредством обработки изображения.

Камера SV-CUP, по-видимому, является развитием той камеры, которую представили в мае 2020 года (способную снимать 70 триллионов кадров в секунду). В этом случае исследователи объединяют две камеры CUP, работающие в унисон, для захвата информации о пространстве, времени и длине волны и объединяют два выходных сигнала в окончательный 5D-результат.

Системы с возможностью записи динамических сцен за пикосекунду (одна триллионная секунды) или даже фемтосекунду (квадриллионная секунды) дают физикам, химикам и биологам способ получать сверхбыстрые многомерные оптические изображения, которые можно использовать для обнаружения сверхбыстрых явлений. 

Хотя эта конкретная система не настолько быстрая — похоже, она работает со скоростью около двух пикосекунд, — количество измерений, которые она может зафиксировать одновременно с такой скоростью, может оказаться очень полезным для некоторых ученых.