這種相機能捕捉0.000000000001秒內的變化~

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出品| 網易新聞

作者| 鴻鵠，科技愛好者

　　你現在的手機像素是多少？2000萬？8000萬？

　　現如今，超高像素的相機或者手機很常見，它們無論是面對人臉還是景色，都能夠拍出非常精緻而清晰的畫面。

　　但是，如果你要拍攝個植物的光合作用，或者更細微的變化，那麼家用相機便無能為力。

　　於是，科學家發明了條紋相機。

（一） 何為條紋相機？

　　要了解條紋相機，我們先從人眼講起。

　　在檢測視力過程中，眼睛無法看清「E」或者「C」開口所在的方向時，便意味著我們達到了眼睛視力分辨的極限。通常，這種可以清晰區分的兩個物點的最小間距便被稱為解析度。人眼的空間分辯率是0.2毫米左右，所以，如果視力檢測表上字母的開口縫隙的寬度小於0.1毫米，那麼人眼是無論如何也看不清的。

　　說完人眼，我們再延伸到顯微鏡。

　　光學顯微鏡的最大空間分辯率是0.2微米（人眼空間解析度的1000倍），由於受光的波長的限制，普通光學顯微鏡的放大倍數通常在幾十到幾千倍之間，很難超過5000倍。

　　所以，現今使用的高端顯微鏡都是電子顯微鏡，它以高速電子束作為光源，電子的波長很短，其解析度就可以達到納米級，放大倍數達到幾百萬倍，可以清晰地「看到」原子和晶體的晶格。

　　而人眼和光學顯微鏡的相同點就在於，它們都是利用自然光來觀測物體，當物體的尺寸或者兩個物體的間距小於光的波長，光就會 「繞射」過去（衍射），也就看不清了。這種不清晰是無法通過調整倍數改變的，只能通過改變光源的波長來改善。

　　上面提到的都是觀察靜態物體時，人眼和顯微鏡的分辨能力，那麼在識別動態變化方面，情況又如何呢？

　　與分辨微小物體類似，人眼在觀察變化過程的時間分辨能力是二十四分之一秒，由於視覺暫留，對於任何變化快於二十四分之一秒的過程，眼睛只能看到始態和終態的畫面，無法對中間過程進行分辨，這便是電影的原理。

　　而再往下的快速過程，人類就需要藉助相機的快速成像——每秒拍攝數千張照片，將中間過程慢速地呈現在我們眼前。

　　那如果想要「記錄」更快的過程呢？

　　和電子顯微鏡需要更換光源一樣，超快過程的記錄需要不同於普通相機的特殊相機，這就是條紋相機。

　　它是同時具備超高時間分辨（皮秒-飛秒級）與高空間分辨（微米級）的唯一高端科學測量與診斷儀器。

　　一般來講，人眼或者普通相機捕捉的畫面是進入固定的區域，時間的分辨通過變化過程的比對來感知。而條紋相機則是使用光脈衝進行成像，光脈衝沿著特定方向經由狹縫進入儀器，不同幀的光脈衝經過狹縫轟擊光電陰極，產生的電子在高壓電場的作用下發生偏轉，接著被探測器收集，不同時間（不同幀）到達的光子在探測器上的投射位置就會不同。

　　這麼做的目的是將時間到來的先後順序轉換成空間進行判斷，根據空間位置窺探瞬態過程。

（二） 條紋相機的研製有何難點？

　　條紋相機的研製涉及光學、光電子、超快電子學、微電子學、精密機械和計算機等多門學科，代表了當前光電診斷技術的最高水平。

　　其中，機械類型的條紋相機使用旋轉鏡或移動狹縫系統來偏轉光束，使得最大掃描速度和時間解析度受到限制，難以獲得高時間分辨的結果。

　　相比之下，光電式的條紋相機將光引導到光電陰極上來工作，光電陰極中產生的光子能被調製板之間的電場迅速改變以產生電子的時變偏轉，其時間解析度能達到飛秒級，是目前的主流。

　　對於中國目前高速發展的科技而言，想要以更快的速度獲得原創性成果，就必須解決儀器裝備受制於人的問題。

　　條紋相機作為一種十分敏感的尖端技術，國外在與之相關的技術方面對中國實行嚴格的封鎖，而且嚴格限制高端條紋相機對中國的出口。同時，條紋相機的國際學術研究成果及器件設備的共享性很低，自主研製也很難參考借鑒國外已有成果。

　　為了解決這一困境，發展具有自主知識產權的高性能、高可靠性、實用化條紋相機系統，2012年，在有關部門的支持下，中科院西安光機所啟動了「高性能條紋相機的研製」項目，經過五年攻關，中國科學家解決了條紋相機製備過程中存在的各種工藝問題和工程實施難題，成功研製出八種類型的條紋相機，照亮科學的美。

　　比如，可用于飛秒化學反應的動力學過程、飛秒激光特性等測量的飛秒條紋相機（時間解析度可達450飛秒，這是什麼概念呢？一飛秒等於千萬億分之一秒，雖然這是450飛秒，但可以想像這是蠻快的一個時間）；熒光光譜、熒光壽命等極微弱光信號多次重複掃描測量的同步掃描條紋相機；有望在航天測繪、空間對抗與攻防和水下探測等領域發揮重要作用的超小型條紋相機等。

（三） 除了觀察光合作用，條紋相機還能幹啥？

1、 觀測核反應

　　高端條紋相機可以用到核聚變等很多超快現象的觀測記錄中。

　　激光聚變研究是全球科學界有史以來最大超精密光學系統工程。在激光照射到輕元素上，並使其發生聚變為重核釋放出能量這個過程中，科學家需要研究通過聚變反應堆的光強度、發生聚變的響應時間以及產生的等離子體等其他產物的密度及分布情況。而這一過程的研究就需要用到「氣室型X光條紋相機」等高端設備來記錄激光「打靶」數據。

　　早在2014年，中國工程物理研究院激光聚變研究中心的科學家就自主研發了在10-4 Pa真空環境下的「氣室型X光條紋相機」，這使得中國成為繼美國利弗莫爾國家實驗室後，全球第二個掌握激光聚變用「氣室型X光條紋相機」研製技術的國家。

　　而現在有了更高性能的國產條紋相機加持，相信不久以後該設備就會有更強的指標突破，激光聚變的研究也很有可能邁上新台階。

2、研究自然界超快現象

　　除核反應外，自然界和科學技術研究中還存在著很多超快現象，比如我們文章開頭提到的植物的光合作用過程——光與葉綠素接觸後，光能是如何變成化學能保留下來，這一過程還值得科學家深入挖掘。

　　再比如像生物材料的熒光發射、化學反應的分子動力學過程、半導體材料的載流子壽命、超短激光脈衝、強光與物質相互作用的物理過程等，也都是在皮秒或者更短的時間內發生的。

　　這些超快現象涉及了生物、化學、物理、材料等多學科的深入研究，想要觀測、記錄和分析這些現象就必須依賴於高時間分辨的診斷儀器。

3、在重大科學工程上有大用場

　　條紋相機在一些具體的前沿技術研發與重大科學工程方面也能派上大用場。

　　比如利用條紋相機來評估爆轟物理研究中衝擊波速度、自由面速度以及爆轟溫度等常規武器性能指標，再比如基於條紋相機技術的新型激光三維成像雷達，能夠在探測器和目標物同時高速移動的情況下進行瞬時成像，可用於水雷搜索、海礦探測、地形地貌勘探等。

結語

　　高性能條紋相機的研製成功使中國的超快診斷相關技術與儀器打破國際封鎖，實現自主研製生產，同時，也提升了中國精密測量儀器研製水平，對國家戰略高技術及前沿科學領域的需求具有極其重要的推動作用。

　　當然，高性能條紋相機研製出來後，只有實現了批量生產，才能真正滿足國家大科學工程和國家重大基礎前沿研究不斷增長的數量和高性能指標的需求。

（註：封面圖為高速相機拍攝，條紋相機的功能可比這個強大得多，時間和空間上的解析度都超級強悍~）

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編輯| 於冉帝、史文慧