Với tốc độ chụp 1.000 tỷ khung hình mỗi giây, hệ thống camera siêu nhanh này chụp được cả sóng xung kích

Một vài năm trước, nhà nghiên cứu Lihong Wang của Caltech đã phát triển một camera nhanh nhất thế giới, có khả năng ghi lại 10.000 tỷ hình ảnh mỗi giây. Nó nhanh đến mức có thể chụp lại cả chuyển động của ánh sáng trong một đoạn băng quay chậm.

Nhưng có vẻ như vậy vẫn chưa đủ nhanh, bởi vì camera này vẫn chưa thể chụp lại những thứ mà nó không thấy. Để giải quyết vấn đề này, Wang, giáo sư kỹ thuật Y khoa, đã phát triển một camera mới với tốc độ chụp 1 nghìn tỷ bức ảnh mỗi giây, để chụp lại các vật thể trong suốt.

Sơ đồ cấu tạo của hệ thống camera pCUP có khả năng ghi lại 1.000 tỷ hình ảnh mỗi giây.

Được giáo sư Wang đặt tên là công nghệ chụp ảnh siêu nhanh nén nhạy pha (phase-sensitive compressed ultrafast photography: pCUP), công nghệ này không chỉ ghi lại hình ảnh của các vật thể trong suốt, mà còn cả các đối tượng có thời gian tồn tại cực ngắn, ví dụ như sóng xung kích, hoặc thậm chí có thể cả các tín hiệu khi chúng truyền qua các neuron.

Theo lời giải thích của ông Wang, hệ thống này là sự kết hợp giữa hệ thống hình ảnh mới với hệ thống chụp ảnh tốc độ cao từng được ông phát triển trước đây dựa trên một công nghệ cũ – kính hiển vi pha tương phản (phase contrast microscopy), vốn được thiết kế để chụp ảnh tốt hơn các vật thể gần như trong suốt như các tế bào, thường phần lớn là nước.

Được phát minh gần 100 năm trước bởi nhà vật lý người Hà Lan Frits Zernike, kính hiển vi pha tương phản hoạt động bằng cách tận dụng việc các sóng ánh sáng đi chậm lại và tăng tốc khi chúng đi vào các vật liệu khác nhau.

Hình ảnh do camera pCUP ghi lại cảnh một xung laser đi qua vật liệu tinh thể.

Ví dụ khi một chùm ánh sáng đi xuyên qua một tấm kính, chúng sẽ chậm lại khi mới tiếp xúc với tấm kính và sau đó tăng tốc lại khi thoát ra. Những thay đổi về tốc độ này sẽ làm biến đổi chu kỳ của các sóng ánh sáng. Tận dụng điều này cùng một số thủ thuật khác, nhà nghiên cứu có thể phân biệt ánh sáng đi xuyên qua tấm kính với ánh sáng không đi xuyên qua, ngay cả khi tấm kính trong suốt.

Để ghi lại các hình ảnh siêu nhanh này, Wang sử dụng công nghệ có tên chụp ảnh nén siêu nhanh mã hóa lossless (lossless encoding compressed ultrafast photography: LLE-CUP). Không giống như hầu hết các công nghệ chụp ảnh siêu nhanh khác thường ghi lại một loạt hình ảnh liên tiếp nhau trong khi lặp đi lặp lại sự kiện, LLE-CUP chỉ chụp một bức ảnh duy nhất, ghi lại mọi chuyển động từ thời điểm chụp đến khi hoàn thành. Do việc chụp một bức ảnh duy nhất sẽ nhanh hơn nhiều so với việc chụp nhiều bức ảnh khác nhau, LLE-CUP thực sự có khả năng chụp lại các chuyển động, ví dụ chuyển động của bản thân ánh sáng.

Hình ảnh sóng xung kích tạo ra khi chiếu tia laser xuống nước được camera pCUP ghi lại. Chuyển động này chỉ kéo dài trong 20 ns (nano giây, mỗi nano giây bằng 1 phần tỷ giây).

Trong tài liệu nghiên cứu của mình, Wang và các đồng nghiệp đã trình diễn khả năng của pCUP bằng hình ảnh của sóng xung kích lan truyền qua nước và một xung laser khi truyền qua một vật liệu tinh thể.

Ông Wang cho biết, công nghệ này khi được hoàn thiện sẽ có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả vật lý, sinh học và hóa học.

"Khi tín hiệu truyền qua các neuron thần kinh, chúng ta có thể hy vọng thấy được các sợi dây thần kinh giãn nở trong giây lát. Nếu chúng ta có một mạng lưới các neuron thần kinh, có lẽ chúng ta có thể thấy việc giao tiếp giữa chúng trong thời gian thật." Ông Wang cho biết. Bên cạnh đó, do nhiệt độ sẽ làm thay đổi pha tương phản, hệ thống camera này "có thể ghi lại hình ảnh ngọn lửa bùng ra và lan tỏa trong buồng đốt của động cơ."

Tham khảo Phys