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時間也能放大?條紋相機了解一下
眼睛是人類獲取信息的主要來源,日常生活中百分之九十以上的信息都是通過視覺來獲取的。但是人眼的時間分辨能力,隻有二十四分之一秒,超快事件的發生過程,遠遠快於該時間尺度的時候,人類眼睛的能力是無法區分的。

在自然科學以及科技生產中,存在很多超快事件。例如植物的光合作用,食鹽在水中的溶解,動物的熒光壽命過程,以及半導體載流子的時間過程。這些時間過程大多集中在百萬分之一秒,甚至在億萬分之一秒,如何觀測微觀世界的所作所為,如何將這種超快事件展現在人類眼睛的麵前,這就需要一種超快診斷工具。

 
動物的熒光壽命過程(視頻截圖)

放大空間可以用放大鏡,要是想放大時間呢?這就要用到條紋照相機了!
條紋照相機,是一種測量光脈衝的強度關於時間的變化的儀器,也是唯一的同時具備超高時間分辨與高空間分辨的高端科學測量與診斷儀器,代表著光電診斷技術的高水平,而且它有一個有趣的名字叫做“時間放大工具”。這台小小的機器涉及到光學、光電子學、微電子學、計算機控製,精密機械加工,等一係列的交叉學科。由於他的尖端性、先進性,被稱作尖端科學儀器“皇冠上的明珠”。


條紋相機(視頻截圖)

條紋相機的精確程度到達什麽地步了呢?例如一個生命隻有一秒鍾的生物,拍攝它從生到死的整個生命過程,再用人眼肉眼可分辨的時間來播放,時間大概需要上萬億個小時!包括超快速飛行的子彈,肉眼或一般的記錄儀器是無法記錄到這種超快過程的,但是用條紋相機拍攝的話,就像靜止在眼前一樣,飛行過程中的所有動態姿勢,都可以被記錄下來。
 
這種把時間放大的工具,是通過“時空轉換”實現的,即把時間信息轉換為空間信息。例如當一群人走進一個房間,如果不分先後順序的擠在一塊的時候,是無法知道每個人是什麽時間什麽時候進入這個房間的。
 
如果做這樣的規定:進入的人第一個人坐在第一排的第一列,第二個人坐在地一排的第二列,依次排開,當看到每一個人所處的位置的時候,就可以知道這個人進入房間的時間。這就是日常生活中簡單的事件向空間轉換的一個方式。
 
條紋相機的組成部分和製作過程也很精密,可以簡單的的理解為單反相機裏麵加了一個條紋片像管。由經典的傳統的光學係統、條紋管、後端的記錄CCD三部分組成,以及控製係統。


(視頻截圖)

如果有一個超快事件發生的過程,在A時刻和B時刻通過條紋相機前端的狹縫,進行取樣,然後經過光學係統成像在條紋相機的陰極上進行光電轉化。當這種光子轉換為電子的同時,在控製端加了掃描電路,這種不同時刻進來的光電子,就會在掃描電壓的偏轉上進行空間的分離,最後被CCD記錄。利用這種儀器可以同時獲得光信號的持續時間和強度的空間分布情況,這個過程就完成了從時間到空間的轉變過程。


(視頻截圖)

我國高性能條紋相機的成功研發,打破了國際上的壟斷,標誌著我國具有自主知識產權的高性能條紋相機進入實用化水平,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戰略性推動作用。

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轉自:科學大院

 

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