时间也能放大？条纹相机了解一下

作者：王博（中国科学院西安光学精密机械研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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眼睛是人类获取信息的主要来源，日常生活中百分之九十以上的信息都是通过视觉来获取的。但是人眼的时间分辨能力，只有二十四分之一秒，超快事件的发生过程，远远快于该时间尺度的时候，人类眼睛的能力是无法区分的。

在自然科学以及科技生产中，存在很多超快事件。例如植物的光合作用，食盐在水中的溶解，动物的荧光寿命过程，以及半导体载流子的时间过程。这些时间过程大多集中在百万分之一秒，甚至在亿万分之一秒，如何观测微观世界的所作所为，如何将这种超快事件展现在人类眼睛的面前，这就需要一种超快诊断工具。

动物的荧光寿命过程（视频截图）

放大空间我们可以用放大镜，要是想放大时间呢？这就要用到条纹照相机了！

条纹照相机，是一种测量光脉冲的强度关于时间的变化的仪器，也是唯一的同时具备超高时间分辨与高空间分辨的高端科学测量与诊断仪器，代表着光电诊断技术的最高水平，而且它有一个有趣的名字叫做“时间放大工具”。这台小小的机器涉及到光学、光电子学、微电子学、计算机控制，精密机械加工，等一系列的交叉学科。由于他的尖端性、先进性，被称作尖端科学仪器“皇冠上的明珠”。

条纹相机（视频截图）

条纹相机的精确程度到达什么地步了呢？例如一个生命只有一秒钟的生物，拍摄它从生到死的整个生命过程，再用人眼肉眼可分辨的时间来播放，时间大概需要上万亿个小时！包括超快速飞行的子弹，肉眼或一般的记录仪器是无法记录到这种超快过程的，但是用条纹相机拍摄的话，就像静止在眼前一样，飞行过程中的所有动态姿势，都可以被记录下来。

这种把时间放大的工具，是通过“时空转换”实现的，即把时间信息转换为空间信息。例如当一群人走进一个房间，如果不分先后顺序的挤在一块的时候，我们是无法知道每个人是什么时间什么时候进入这个房间的。

“时空转换”的原理（视频截图）

如果做这样的规定：进入的人第一个人坐在第一排的第一列，第二个人坐在地一排的第二列，依次排开，当我们看到每一个人所处的位置的时候，就可以知道这个人进入房间的时间。

“时空转换”的原理（视频截图）

这就是日常生活中最简单的事件向空间转换的一个方式。

条纹相机的组成部分和制作过程也很精密，可以简单的的理解为单反相机里面加了一个条纹片像管。由经典的传统的光学系统、条纹管、后端的记录CCD三部分组成，以及控制系统。

（视频截图）

如果有一个超快事件发生的过程，在A时刻和B时刻通过条纹相机前端的狭缝，进行取样，然后经过光学系统成像在条纹相机的阴极上进行光电转化。当这种光子转换为电子的同时，在控制端加了扫描电路，这种不同时刻进来的光电子，就会在扫描电压的偏转上进行空间的分离，最后被CCD记录。利用这种仪器可以同时获得光信号的持续时间和强度的空间分布情况，这个过程就完成了从时间到空间的转变过程。

（视频截图）

我国高性能条纹相机的成功研发，打破了国际上的垄断，标志着我国具有自主知识产权的高性能条纹相机进入实用化水平，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战略性推动作用。

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