سریع‌ ترین دوربین دنیا حرکت نور را به تصویر می‌کشد

سریع‌ترین دوربین دنیا با نام FRAME (مخفف عبارت Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures) که توسط دانشگاه لوند سوئد توسعه پیدا کرده است، با ثبت ۵ تریلیون (۵,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰) فریم بر ثانیه می‌تواند رویدادهایی با طول ۰.۲ تریلیونم ثانیه را ثبت کند و حتی حرکت نور را به تصویر بکشد.

برای مقایسه، دوربین RX10 II سونی و تلفن هوشمند اکسپریا XZ تنها قادرند ویدئوهایی با سرعت ۹۶۰ فریم بر ثانیه ضبط کنند. چنین سرعتی برای ثبت وقایعی که تماشای آن‌ها در ویدئوهای معمولی ۲۴ تا ۳۰ فریم بر ثانیه ممکن نیست، (مانند ترکیدن بادکنک یا بال زدن یک حشره) کافی است. در مقیاس حرفه‌ای، دوربین Phantom v2512 حدود ۱۰۰ هزار برابر از دوربین‌های سونی سریع‌تر است و می‌تواند ویدئوهایی با سرعت یک میلیون فریم بر ثانیه ضبط کند. با چنین سرعتی می‌توانید لحظات نابی مانند تغییر شکل گلوله هنگام برخورد با اجسام را به ثبت برسانید. دوربین FRAME اما از Phantom v2512 هم سریع‌تر است؛ ۵ میلیون بار سریع‌تر!

دانشمندان می‌گویند با استفاده از این دوربین می‌توان رویدادهایی در شیمی، فیزیک، بیولوژی و پزشکی را به ثبت رساند که تا پیش از این مشاهده‌ی آن‌ها ممکن نبوده است؛ رویدادهایی که وقوع آن‌ها تنها یک فمتوثانیه طول می‌کشد.

اما یک فمتوثانیه چقدر است؟ برای درک بهتر کوتاهی این بازه‌ی زمانی، بد نیست از یک مقایسه استفاده کنیم: تعداد فمتوثانیه‌های موجود در یک ثانیه (۱,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰) بسیار بسیار بیشتر از تعداد ثانیه‌های موجود در متوسط طول عمر یک انسان (۲,۴۹۱,۳۴۴,۰۰۰) است.

این اولین باری نیست که محققان توانسته‌اند به سرعت بالای یک تریلیون بر ثانیه برای ثبت تصاویر دست پیدا کنند. پیش از این، در سال ۲۰۱۱ محققان دانشگاه MIT توانسته بودند دوربینی با سرعت ۱ تریلیون بر ثانیه توسعه بدهند و در سال ۲۰۱۴ محققان ژاپنی دانشگاه توکیو تکنیکی برای فیلم‌برداری با سرعت ۴.۴ تریلیون بر ثانیه پیشنهاد داده بودند.

اما روش جدید استفاده‌شده در FRAME به‌صورت بالقوه بسیار سریع‌تر از روش‌های پیشین است. در حالی که ویدئوهای آزمایشی منتشرشده توسط دانشگاه لوند با سرعت ۵ تریلیون فریم بر ثانیه به ثبت رسیده‌اند، محققان ادعا می‌کنند با استفاده از این تکنیک، ثبت ویدئوهایی تا هزار برابر سریع‌تر از این نیز ممکن خواهد بود.

الیاس کریستنسون، از محققان پروژه‌ی FRAME در دانشگاه لوند می‌گوید:

تا پیش از این برای ثبت وقایعی با سرعتی چنین بالا، تنها روش موجود «عکاسی منقطع» از پروسه‌ی واقعه بود. به این صورت که با انجام چندین باره‌ی یک آزمایش، تصاویر متعددی ضبط می‌شد و سپس با ترکیب این تصاویر با یکدیگر، ویدئویی از وقوع فرآیند به دست می‌آمد. مشکل اینجا است که احتمال اینکه پروسه در تکرار مجدد دقیقا یکسان با آزمایش اول باشد، بسیار بعید است.

برای نشان دادن قابلیت‌های دوربین جدید، محققان لوند ویدئویی از حرکت نور در مسیری به اندازه‌ی ضخامت یک برگ کاغذ به ثبت رسانده‌اند. (طی چنین مسافتی برای نور تنها یک پیکوثانیه طول می‌کشد.)

همان‌طور که انتظار می‌رود، اساس کار و ساختار این دوربین با دوربین‌های متداول موجود در بازار بسیار متفاوت است. محققان لوند، نحوه‌ی عملکرد دوربین فوق سریع خود را به زبان ساده، این‌گونه توضیح می‌دهند:

در حال حاضر، دوربین‌های فوق سریع تصاویر را «یک‌به‌یک» و «به‌ترتیب» ثبت می‌کنند. تکنولوژی جدید ما بر اساس یک الگوریتم ابتکاری است که در آن چندین تصویر کدگذاری شده در یک عکس به ثبت می‌رسند. سپس طی فرایندی مجزا، این تصاویر به ویدئو تبدیل می‌شوند.

به‌طور خلاصه، روش ما به این صورت است که سوژه‌ی مورد نظر (برای مثال یک واکنش شیمیایی) را در معرض نور لیزری قرار می‌دهیم که هر پالس آن داری یک کد مخصوص به خود است. سوژه، نور کدگذاری شده را انعکاس می‌دهد و تصویر با استفاده از آن به ثبت می‌رسد. بعدها با استفاده از یک کلید کدگشا، تصاویر با ترتیب زمانی خود مرتب می‌شوند و ویدئو تولید می‌شود.

هم‌اکنون یک شرکت آلمانی در حال تجاری‌سازی این پروژه است. انتظار می‌رود دوربین فوق سریع FRAME تا ۲ سال دیگر برای خرید در دسترس مراکز تحقیقاتی و دانشگاه‌های دنیا قرار بگیرد.