你現(xiàn)在的手機(jī)像素是多少？2000萬？8000萬？
現(xiàn)如今，超高像素的相機(jī)或者手機(jī)很常見，它們無論是面對(duì)人臉還是景色，都能夠拍出非常精致而清晰的畫面。
但是，如果你要拍攝個(gè)植物的光合作用，或者更細(xì)微的變化，那么家用相機(jī)便無能為力。
于是，科學(xué)家發(fā)明了條紋相機(jī)。
（一） 何為條紋相機(jī)？
要了解條紋相機(jī)，我們先從人眼講起。
在檢測視力過程中，眼睛無法看清“E”或者“C”開口所在的方向時(shí)，便意味著我們達(dá)到了眼睛視力分辨的極限。通常，這種可以清晰區(qū)分的兩個(gè)物點(diǎn)的最小間距便被稱為分辨率。人眼的空間分辯率是0.2毫米左右，所以，如果視力檢測表上字母的開口縫隙的寬度小于0.1毫米，那么人眼是無論如何也看不清的。
說完人眼，我們?cè)傺由斓斤@微鏡。
光學(xué)顯微鏡的最大空間分辯率是0.2微米（人眼空間分辨率的1000倍），由于受光的波長的限制，普通光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)通常在幾十到幾千倍之間，很難超過5000倍。
所以，現(xiàn)今使用的高端顯微鏡都是電子顯微鏡，它以高速電子束作為光源，電子的波長很短，其分辨率就可以達(dá)到納米級(jí)，放大倍數(shù)達(dá)到幾百萬倍，可以清晰地“看到”原子和晶體的晶格。
（先進(jìn)的球差矯正電鏡及其所成的原子圖像）
而人眼和光學(xué)顯微鏡的相同點(diǎn)就在于，它們都是利用自然光來觀測物體，當(dāng)物體的尺寸或者兩個(gè)物體的間距小于光的波長，光就會(huì) “繞射”過去（衍射），也就看不清了。這種不清晰是無法通過調(diào)整倍數(shù)改變的，只能通過改變光源的波長來改善。
上面提到的都是觀察靜態(tài)物體時(shí)，人眼和顯微鏡的分辨能力，那么在識(shí)別動(dòng)態(tài)變化方面，情況又如何呢？
與分辨微小物體類似，人眼在觀察變化過程的時(shí)間分辨能力是二十四分之一秒，由于視覺暫留，對(duì)于任何變化快于二十四分之一秒的過程，眼睛只能看到始態(tài)和終態(tài)的畫面，無法對(duì)中間過程進(jìn)行分辨，這便是電影的原理。
而再往下的快速過程，人類就需要借助相機(jī)的快速成像——每秒拍攝數(shù)千張照片，將中間過程慢速地呈現(xiàn)在我們眼前。
（高速相機(jī)拍攝到的景象）
那如果想要“記錄”更快的過程呢？
和電子顯微鏡需要更換光源一樣，超快過程的記錄需要不同于普通相機(jī)的特殊相機(jī)，這就是條紋相機(jī)。
（條紋相機(jī)工作原理）
它是同時(shí)具備超高時(shí)間分辨（皮秒-飛秒級(jí)）與高空間分辨（微米級(jí)）的唯一高端科學(xué)測量與診斷儀器。
一般來講，人眼或者普通相機(jī)捕捉的畫面是進(jìn)入固定的區(qū)域，時(shí)間的分辨通過變化過程的比對(duì)來感知。而條紋相機(jī)則是使用光脈沖進(jìn)行成像，光脈沖沿著特定方向經(jīng)由狹縫進(jìn)入儀器，不同幀的光脈沖經(jīng)過狹縫轟擊光電陰極，產(chǎn)生的電子在高壓電場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，接著被探測器收集，不同時(shí)間（不同幀）到達(dá)的光子在探測器上的投射位置就會(huì)不同。
這么做的目的是將時(shí)間到來的先后順序轉(zhuǎn)換成空間進(jìn)行判斷，根據(jù)空間位置窺探瞬態(tài)過程。
（時(shí)間順序轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的空間位置順序）
（二） 條紋相機(jī)的研制有何難點(diǎn)？
條紋相機(jī)的研制涉及光學(xué)、光電子、超快電子學(xué)、微電子學(xué)、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科，代表了當(dāng)前光電診斷技術(shù)的最高水平。
其中，機(jī)械類型的條紋相機(jī)使用旋轉(zhuǎn)鏡或移動(dòng)狹縫系統(tǒng)來偏轉(zhuǎn)光束，使得最大掃描速度和時(shí)間分辨率受到限制，難以獲得高時(shí)間分辨的結(jié)果。
相比之下，光電式的條紋相機(jī)將光引導(dǎo)到光電陰極上來工作，光電陰極中產(chǎn)生的光子能被調(diào)制板之間的電場迅速改變以產(chǎn)生電子的時(shí)變偏轉(zhuǎn)，其時(shí)間分辨率能達(dá)到飛秒級(jí)，是目前的主流。
對(duì)于中國目前高速發(fā)展的科技而言，想要以更快的速度獲得原創(chuàng)性成果，就必須解決儀器裝備受制于人的問題。
條紋相機(jī)作為一種十分敏感的尖端技術(shù)，國外在與之相關(guān)的技術(shù)方面對(duì)中國實(shí)行嚴(yán)格的封鎖，而且嚴(yán)格限制高端條紋相機(jī)對(duì)中國的出口。同時(shí)，條紋相機(jī)的國際學(xué)術(shù)研究成果及器件設(shè)備的共享性很低，自主研制也很難參考借鑒國外已有成果。
為了解決這一困境，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、高可靠性、實(shí)用化條紋相機(jī)系統(tǒng)，2012年，在有關(guān)部門的支持下，中科院西安光機(jī)所啟動(dòng)了“高性能條紋相機(jī)的研制”項(xiàng)目，經(jīng)過五年攻關(guān)，中國科學(xué)家解決了條紋相機(jī)制備過程中存在的各種工藝問題和工程實(shí)施難題，成功研制出八種類型的條紋相機(jī)，照亮科學(xué)的美。
（中科院西安光機(jī)所研制的條紋相機(jī)）
比如，可用于飛秒化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程、飛秒激光特性等測量的飛秒條紋相機(jī)（時(shí)間分辨率可達(dá)450飛秒，這是什么概念呢？一飛秒等于千萬億分之一秒，雖然這是450飛秒，但可以想象這是蠻快的一個(gè)時(shí)間）；熒光光譜、熒光壽命等極微弱光信號(hào)多次重復(fù)掃描測量的同步掃描條紋相機(jī)；有望在航天測繪、空間對(duì)抗與攻防和水下探測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的超小型條紋相機(jī)等。
（飛秒條紋相機(jī)的性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)源于中科院西安光機(jī)所）
（三） 除了觀察光合作用，條紋相機(jī)還能干啥？
1、 觀測核反應(yīng)
高端條紋相機(jī)可以用到核聚變等很多超快現(xiàn)象的觀測記錄中。
（激光核聚變過程）
激光聚變研究是全球科學(xué)界有史以來最大超精密光學(xué)系統(tǒng)工程。在激光照射到輕元素上，并使其發(fā)生聚變?yōu)橹睾酸尫懦瞿芰窟@個(gè)過程中，科學(xué)家需要研究通過聚變反應(yīng)堆的光強(qiáng)度、發(fā)生聚變的響應(yīng)時(shí)間以及產(chǎn)生的等離子體等其他產(chǎn)物的密度及分布情況。而這一過程的研究就需要用到“氣室型X光條紋相機(jī)”等高端設(shè)備來記錄激光“打靶”數(shù)據(jù)。
早在2014年，中國工程物理研究院激光聚變研究中心的科學(xué)家就自主研發(fā)了在10-4 Pa真空環(huán)境下的“氣室型X光條紋相機(jī)”，這使得中國成為繼美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室后，全球第二個(gè)掌握激光聚變用“氣室型X光條紋相機(jī)”研制技術(shù)的國家。
而現(xiàn)在有了更高性能的國產(chǎn)條紋相機(jī)加持，相信不久以后該設(shè)備就會(huì)有更強(qiáng)的指標(biāo)突破，激光聚變的研究也很有可能邁上新臺(tái)階。
2、研究自然界超快現(xiàn)象
除核反應(yīng)外，自然界和科學(xué)技術(shù)研究中還存在著很多超快現(xiàn)象，比如我們文章開頭提到的植物的光合作用過程——光與葉綠素接觸后，光能是如何變成化學(xué)能保留下來，這一過程還值得科學(xué)家深入挖掘。
再比如像生物材料的熒光發(fā)射、化學(xué)反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)過程、半導(dǎo)體材料的載流子壽命、超短激光脈沖、強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的物理過程等，也都是在皮秒或者更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。
這些超快現(xiàn)象涉及了生物、化學(xué)、物理、材料等多學(xué)科的深入研究，想要觀測、記錄和分析這些現(xiàn)象就必須依賴于高時(shí)間分辨的診斷儀器。
（利用條紋相機(jī)研究光化學(xué)過程：聚苯乙烯薄膜在355 nm光脈沖激發(fā)后吸光度變化發(fā)生在約1.5ns后）
3、在重大科學(xué)工程上有大用場
條紋相機(jī)在一些具體的前沿技術(shù)研發(fā)與重大科學(xué)工程方面也能派上大用場。
比如利用條紋相機(jī)來評(píng)估爆轟物理研究中沖擊波速度、自由面速度以及爆轟溫度等常規(guī)武器性能指標(biāo)，再比如基于條紋相機(jī)技術(shù)的新型激光三維成像雷達(dá)，能夠在探測器和目標(biāo)物同時(shí)高速移動(dòng)的情況下進(jìn)行瞬時(shí)成像，可用于水雷搜索、海礦探測、地形地貌勘探等。
結(jié)語
高性能條紋相機(jī)的研制成功使中國的超快診斷相關(guān)技術(shù)與儀器打破國際封鎖，實(shí)現(xiàn)自主研制生產(chǎn)，同時(shí)，也提升了中國精密測量儀器研制水平，對(duì)國家戰(zhàn)略高技術(shù)及前沿科學(xué)領(lǐng)域的需求具有極其重要的推動(dòng)作用。
當(dāng)然，高性能條紋相機(jī)研制出來后，只有實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，才能真正滿足國家大科學(xué)工程和國家重大基礎(chǔ)前沿研究不斷增長的數(shù)量和高性能指標(biāo)的需求。
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