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Caltech、超高速カメラ、1000億 fpsで3Dムービーを撮影

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December, 28, 2020, Pasadena--CaltechのLihong Wangは、世界最高速カメラを実現するために、70兆フレーム/秒の超高速に達する技術を開発した。これは、伝搬する光を見ることができる速さである。携帯電話のカメラのように、それはフラットな画像しか生成できない。
 研究チームは、さらに一歩進めて,信じられないほどの高速で記録するビデオだけでなく、3Dで記録するカメラを開発した。研究成果は、Nature Communicationsに発表された。

新しいカメラは、Wangの他の圧縮超高速写真(CUP)カメラと同じ基礎技術を使っており、1秒に1000億までのフレームを撮ることができる。
 同氏はその新しい反復「シングルショットステレオ偏光圧縮超高速写真」をSP-CUPと呼んでいる。

CUP技術では、ビデオの全フレームが、イベントを繰り返すことなく1回の操作で撮られる。こによりCUPカメラは超高速になる(優れた携帯電話カメラは60fps)。Wangは、カメラが人と同様に「見る」ことができるようにして、この超高速画像に3次元(3D)を追加した。

人が周囲の世界を見るとき、ある物体はより近く、またある物体は遠く離れていることを知覚する。そのような奥行き知覚は、2つの眼により可能になる。それぞれが、わずかに異なる角度から物体やその周囲を観察する。これら二つの画像からの情報が脳によって統合されて単一の3D画像が生成される。

SP-CUPカメラの機能は本質的に同じである。

「そのカメラは、今ではステレオである。レンズは一つだが、オフセットにより2つの視野を提供する二等分として機能にする」。

われわれの脳が、眼から受け取る信号で機能するのと同様に、SP-CUPカメラを走らすコンピュータは、これら2つのchからのデータを処理して、一つの3Dムービーにする。

SP-CUPには、人間にはない別のイノベーションもある。光波の偏光を見る能力である。

光の偏光は、光が進行する際に光波の方向が振動することを言う。弦を上に引き(例えば指で)、次に話すと、弦は垂直に振動する。それを指で横方向にはじくと、弦は水平に振動する。通常の光の波は、全ての方向に振動するが、偏光は、その波が全て同じ方向に振動するように変えられている。これは自然な手段で起こることがあり得る。例えば、光が平面で反射される、あるいは人工的操作の結果として、偏光フィルタによって起こるようにできる。

われわれの目は、光の偏光を直接検出できないが、その現象は、幅広いアプリケーションで利用されている。LCDスクリーン、偏光サングラス、光学部品のカメラレンズから、材料の隠れたを応力や分子の3D構成を検出するデバイスまでである。

Wanによると、SP-CUPの高速3D画像と偏光情報利用の統合ににより、幅広い科学的問題に適用できる強力なツールが実現する。特に、ソノルミネセンスの理解向上に役立つと同氏は期待している。これは、音波が水や他の液体中に微小な泡を発生させる現象。泡は、形成されると直ぐに潰れ、光のバーストを放出する。

「これは物理学における最大のミステリーの一つであると考える人もいる。泡が崩壊すると、その内部が、光を生成するほどの高温に達する。これを起こすプロセスは、極めてミステリアスである。それが非常に高速に起こるからである。われわれのカメラは、その解明に役立つのではないか」と同氏はコメントしている。

(詳細は、https://www.caltech.edu/)