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他们拍下了光的慢动作,可能会刷新你的世界观

2018-11-18  信息的窃贼



麻省理工学院的电子工程教授哈罗德·金顿(Harold Eugene “Doc” Edgerton)早在1964年的时候,就利用每秒100万帧的高速相机拍摄了子弹打穿一个苹果的照片。


但是50年后,人类,具体来说是麻省理工学院媒体实验室的 Ramesh Raskar 的团队创造出了每秒可以拍摄一万亿张照片的相机,比金顿的还快100万倍。


这就是飞秒摄影技术(femto-photography)的诞生。


你或许会想,这么快的摄像技术有什么用?


用处可大了。比如,可以看清光的运动。


有了飞秒摄影技术,虽然光速依然不变,但是它的运动不再能超出人眼的分辨范围。


就像来到房间里打开一盏灯的时候,我们可以看到光先照亮哪里,然后再照亮哪里。换言之,光的速度在我们的眼中被“放慢”了。


一起来看看,用飞秒摄影技术拍摄到的光影运动影像。


如果制造一个持续几飞秒(10−15秒)的激光,那么我们就可以创造出一道像子弹一样的激光束。这道激光当然是以光速运动的,它的速度是普通子弹的100万倍。


现在用这道激光子弹去射这个可乐瓶,我们会看到什么呢?




更精致的画面——


@ MIT Media Lab’s Camera Culture group


好吧,你刚刚看到的这整个画面,发生过程不超过1纳秒(10−9秒)。


我们看到的,是经过100亿倍稀释后的时间。如果我们用的是普通的子弹来重复这个实验,那么我们要花一整年的时间,才能看到子弹从可乐瓶底部移动到瓶口。




而我们看到的光辉,实际上是散射的光,它们不再沿着原来的路线前进,反而进入了我们的眼睛里(也就是镜头里)。当这粒光线子弹射到可乐盖上的时候,这个现象尤其明显,因为有许多光子无法穿越瓶盖,被强行分散了。



因为水瓶上部有气体,你可以看到光在那里弹跳,涟漪倒映在了桌子上。


Raskar 提示,当他的团队仔细地查看瓶口的光形成的波纹的时候,发现这些涟漪正在离我们远去。这不太对啊,光线不是应该朝着我们前进吗?



Raskar 解释道,因为这种摄影技术已经接近“与光同行”,因此在某些时刻,相机拍摄到的事件“穿越”了,后发生的事件被提前曝光。利用相对论对扭曲的时空进行矫正,我们就可以重新得到时间顺序正常的影像。


爱因斯坦会爱上这种摄影技术的。



再看一看,用飞秒摄影技术拍摄的静物。



更精致的画面——


@ MIT Media Lab’s Camera Culture group


你可以明显地观察到,光就像水面的波纹一样划过番茄和后面的白色布景。


这就是光给万物“上色”的方式。



如果你观察得更仔细,你就会看到在光线穿越之后,它还在发光,这是因为熟番茄允许光线透入,而透入的光线可以在熟番茄内部不断弹射的缘故。Raskar 说,未来,我们或许就可以用这种方法,判断蔬果是否成熟。



当然了,有些摄影技术基本知识的人会注意到,光子的数量越少,拍出来的图像就越暗,他们怎么能拍到这么清晰的图像的呢?


其实,飞秒摄影技术是 Raskar 的团队用几百束相同的光线以相同的间隔重复拍摄,最后才得到的合成图。


很显然,有了飞秒摄影技术,光不再能“唯快不破”,我们也实现了看清光的运动的梦想。但这就是飞秒摄影技术的全部能量了吗?


故事远没有结束。


Raskar 的团队利用这种技术,还创造了看穿墙背后物体的技术。


实际上,一束激光进入房间后会散射开来,最后其中的一些会回到摄像头里。因为经历的路程不同,光线到达摄像头的时间有差异,利用这些差异,就可以反推它们经历的距离,进而计算出门后有什么。这就好比不用X光就看透一个人的身体。


下面就是用他们的这种“透视眼”技术看到的门后的物体形态——



详细原理的视频——


@ MIT Media Lab’s Camera Culture group


有了这种技术,在视线之外的人也无所遁形。想想看,这种技术的应用前景有多么广阔,比如在转弯前看清楚转角后面是否有车,在无法进入的灾难现场搜寻幸存者,也可以在没有物理接触的情况下进行无痛的肠道内窥镜检查。


这些人,让光和我们更亲近了。



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