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你现在的手机像素是多少？2000万？8000万？ 现如今，超高像素的相机或者手机很常见，它们无论是面对人脸还是景色，都能够拍出非常精致而清晰的画面。
但是，如果你要拍摄个植物的光合作用，或者更细微的变化，那么家用相机便无能为力。 于是，科学家发明了条纹相机。 （一） 何为条纹相机？ 要了解条纹相机，我们先从人眼讲起。 在检测视力过程中，眼睛无法看清“E”或者“C”开口所在的方向时，便意味着我们达到了眼睛视力分辨的极限。通常，这种可以清晰区分的两个物点的最小间距便被称为分辨率。人眼的空间分辩率是0.2毫米左右，所以，如果视力检测表上字母的开口缝隙的宽度小于0.1毫米，那么人眼是无论如何也看不清的。 说完人眼，我们再延伸到显微镜。 光学显微镜的最大空间分辩率是0.2微米（人眼空间分辨率的1000倍），由于受光的波长的限制，普通光学显微镜的放大倍数通常在几十到几千倍之间，很难超过5000倍。 所以，现今使用的高端显微镜都是电子显微镜，它以高速电子束作为光源，电子的波长很短，其分辨率就可以达到纳米级，放大倍数达到几百万倍，可以清晰地“看到”原子和晶体的晶格。
（先进的球差矫正电镜及其所成的原子图像） 而人眼和光学显微镜的相同点就在于，它们都是利用自然光来观测物体，当物体的尺寸或者两个物体的间距小于光的波长，光就会 “绕射”过去（衍射），也就看不清了。这种不清晰是无法通过调整倍数改变的，只能通过改变光源的波长来改善。 上面提到的都是观察静态物体时，人眼和显微镜的分辨能力，那么在识别动态变化方面，情况又如何呢？ 与分辨微小物体类似，人眼在观察变化过程的时间分辨能力是二十四分之一秒，由于视觉暂留，对于任何变化快于二十四分之一秒的过程，眼睛只能看到始态和终态的画面，无法对中间过程进行分辨，这便是电影的原理。 而再往下的快速过程，人类就需要借助相机的快速成像——每秒拍摄数千张照片，将中间过程慢速地呈现在我们眼前。
（高速相机拍摄到的景象） 那如果想要“记录”更快的过程呢？ 和电子显微镜需要更换光源一样，超快过程的记录需要不同于普通相机的特殊相机，这就是条纹相机。
（条纹相机工作原理） 它是同时具备超高时间分辨（皮秒-飞秒级）与高空间分辨（微米级）的唯一高端科学测量与诊断仪器。 一般来讲，人眼或者普通相机捕捉的画面是进入固定的区域，时间的分辨通过变化过程的比对来感知。而条纹相机则是使用光脉冲进行成像，光脉冲沿着特定方向经由狭缝进入仪器，不同帧的光脉冲经过狭缝轰击光电阴极，产生的电子在高压电场的作用下发生偏转，接着被探测器收集，不同时间（不同帧）到达的光子在探测器上的投射位置就会不同。 这么做的目的是将时间到来的先后顺序转换成空间进行判断，根据空间位置窥探瞬态过程。
（时间顺序转化成对应的空间位置顺序） （二） 条纹相机的研制有何难点？ 条纹相机的研制涉及光学、光电子、超快电子学、微电子学、精密机械和计算机等多门学科，代表了当前光电诊断技术的最高水平。 其中，机械类型的条纹相机使用旋转镜或移动狭缝系统来偏转光束，使得最大扫描速度和时间分辨率受到限制，难以获得高时间分辨的结果。 相比之下，光电式的条纹相机将光引导到光电阴极上来工作，光电阴极中产生的光子能被调制板之间的电场迅速改变以产生电子的时变偏转，其时间分辨率能达到飞秒级，是目前的主流。 对于中国目前高速发展的科技而言，想要以更快的速度获得原创性成果，就必须解决仪器装备受制于人的问题。 条纹相机作为一种十分敏感的尖端技术，国外在与之相关的技术方面对中国实行严格的封锁，而且严格限制高端条纹相机对中国的出口。同时，条纹相机的国际学术研究成果及器件设备的共享性很低，自主研制也很难参考借鉴国外已有成果。 为了解决这一困境，发展具有自主知识产权的高性能、高可靠性、实用化条纹相机系统，2012年，在有关部门的支持下，中科院西安光机所启动了“高性能条纹相机的研制”项目，经过五年攻关，中国科学家解决了条纹相机制备过程中存在的各种工艺问题和工程实施难题，成功研制出八种类型的条纹相机，照亮科学的美。
（中科院西安光机所研制的条纹相机） 比如，可用于飞秒化学反应的动力学过程、飞秒激光特性等测量的飞秒条纹相机（时间分辨率可达450飞秒，这是什么概念呢？一飞秒等于千万亿分之一秒，虽然这是450飞秒，但可以想象这是蛮快的一个时间）；荧光光谱、荧光寿命等极微弱光信号多次重复扫描测量的同步扫描条纹相机；有望在航天测绘、空间对抗与攻防和水下探测等领域发挥重要作用的超小型条纹相机等。
（飞秒条纹相机的性能指标，数据源于中科院西安光机所） （三） 除了观察光合作用，条纹相机还能干啥？ 1、 观测核反应 高端条纹相机可以用到核聚变等很多超快现象的观测记录中。
（激光核聚变过程） 激光聚变研究是全球科学界有史以来最大超精密光学系统工程。在激光照射到轻元素上，并使其发生聚变为重核释放出能量这个过程中，科学家需要研究通过聚变反应堆的光强度、发生聚变的响应时间以及产生的等离子体等其他产物的密度及分布情况。而这一过程的研究就需要用到“气室型X光条纹相机”等高端设备来记录激光“打靶”数据。 早在2014年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的科学家就自主研发了在10-4 Pa真空环境下的“气室型X光条纹相机”，这使得中国成为继美国利弗莫尔国家实验室后，全球第二个掌握激光聚变用“气室型X光条纹相机”研制技术的国家。 而现在有了更高性能的国产条纹相机加持，相信不久以后该设备就会有更强的指标突破，激光聚变的研究也很有可能迈上新台阶。 2、研究自然界超快现象 除核反应外，自然界和科学技术研究中还存在着很多超快现象，比如我们文章开头提到的植物的光合作用过程——光与叶绿素接触后，光能是如何变成化学能保留下来，这一过程还值得科学家深入挖掘。 再比如像生物材料的荧光发射、化学反应的分子动力学过程、半导体材料的载流子寿命、超短激光脉冲、强光与物质相互作用的物理过程等，也都是在皮秒或者更短的时间内发生的。 这些超快现象涉及了生物、化学、物理、材料等多学科的深入研究，想要观测、记录和分析这些现象就必须依赖于高时间分辨的诊断仪器。
（利用条纹相机研究光化学过程：聚苯乙烯薄膜在355 nm光脉冲激发后吸光度变化发生在约1.5ns后） 3、在重大科学工程上有大用场 条纹相机在一些具体的前沿技术研发与重大科学工程方面也能派上大用场。 比如利用条纹相机来评估爆轰物理研究中冲击波速度、自由面速度以及爆轰温度等常规武器性能指标，再比如基于条纹相机技术的新型激光三维成像雷达，能够在探测器和目标物同时高速移动的情况下进行瞬时成像，可用于水雷搜索、海矿探测、地形地貌勘探等。 结语 高性能条纹相机的研制成功使中国的超快诊断相关技术与仪器打破国际封锁，实现自主研制生产，同时，也提升了中国精密测量仪器研制水平，对国家战略高技术及前沿科学领域的需求具有极其重要的推动作用。 当然，高性能条纹相机研制出来后，只有实现了批量生产，才能真正满足国家大科学工程和国家重大基础前沿研究不断增长的数量和高性能指标的需求。 作为世界上认知度最高的标签，中国制造（Made in China）正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏，力邀行业权威、资深玩家，呈现他们眼中的中国创新之路。 |
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