每年过年大家应该或多或少都会看上两眼春节联欢会吧，魔术环节总是有魔术师很神奇地将东西在有和没有之间快速转换，小时候看到的感觉就是哇塞好厉害嗷，现在看到的感觉就是嗯厉害，但我知道为什么(傲娇了起来)，突然间就没小时候的崇拜感，但是还是必须要夸！魔术师确实手速够快！

图1.(左图：魔术现场拍摄)和(右图：对这个过程放慢四十倍后的效果)

　　上面两幅图中，左图中魔术师很神奇地将梅花8变成了红心3，右图是对这个过程进行1000帧慢放(放慢四十倍)后的效果，刘谦看到后试图掩饰尴尬。

　　那为什么我们在电视里看到的是牌直接从梅花8变成了红心3？放慢之后就可以清晰地看到换牌的整个过程？我们恍然大悟才明白原来是魔术师手速很快。这就不得不提到我们今天要说到的超快成像(费尽心思，终于引出正题了)。超快成像技术能捕捉到快速变化的物体照片，我们称之为“捕快”。什么？捕快？是说的我燕小六吗？

　　当然不是“燕小六”那么简单，这就需要说明在拍照过程中需要考虑到的几个概念。先来看两张图片。

图2.拍照时遇到的有趣现象

　　图2的左图竟然把这位大哥拍出了灵魂出窍的感觉，在拍照时我们通常称这种现象为“重影”，右图是 “飞人”苏炳添在最后冲刺的时候直接“飞”起来了?为什么他脚没有动还跑那么快？难道他真的会飞吗？

快门和帧率

　　这就要提到在拍摄过程中快门和帧率两个概念。快门是每帧画面曝光的时间，帧率是每秒画面的帧数。在使用摄像机进行视频拍摄时，摄像机的快门速度越快，捕捉到的动作就越清晰。但如果快门的速度设置的过高，会导致视频中的运动变得不流畅。快门越慢，曝光越充足，同时如果拍摄运动的物体，拖影越严重。因此一般是将快门速度设定为帧速率的两倍。在数码时代照相机使用的是同一张“胶片”，这张胶片是可以重复使用的，而且是电子快门，即快门其实是一致处于打开的状态，我们所需要做的只是告诉相机，我要从什么时间开始记录，什么时间段结束，把这一时间段的数据存储为一张图片，这只是一个“截取”工作方式，当快门小于帧率时，例如帧速率为30帧，快门为15秒，那么第一帧记录的时间就是从0秒开始，到1/15秒(为了方便对比，可以写为2/30秒)结束；但是第二帧，则是从第1/30开始，到3/30结束；第三帧从3/30开始到5/30秒结束，以此类推….这就可以发现，上一帧画面是跟下一帧画面有重叠的部分，如果我们拍摄运动物体，或者摄像机本身在运动，前面我们说到，慢快门会造成物体有拖影，这就形成了一个有趣的画面，即由于帧率够快(一般达到24帧人眼看着比较流畅)，画面流畅(没有卡顿，不像动画片)，但是又有运动模糊，效果就达到了上图中“灵魂出窍”的效果。电影放映的标准是每秒放映24帧，每秒遮挡24次，刷新率是每秒48次。这里的帧就是画面，也就是说电影每秒放映24幅画面，以达到动画的效果。由于人类眼睛的特殊生理结构，如果所看画面的帧率是24时，就会认为是连贯的，此现象称之为视觉停留。当物体在快速运动时，当人眼看到的影像消失后，人眼仍能继续保留其影像1/24秒左右的图像，这种现象被称为视觉暂留现象。因此间隔不超过1/24秒拍摄的同一物体的多帧图像连续播放时，人眼看到的不再是图片，而是一个连贯的动作或者运动轨迹。但是每帧画面有所重叠时，就会看到 “飞起来”的苏炳添，但是如果我们使用高帧率的摄像机就可以很清晰地看到苏炳添跑步的整个过程。

“超快”有多快？

　　我们将发生在微秒、纳秒以及更快的时间尺度上的事件及过程称之为超快过程。不同时间尺度超快事件，需要不同时间分辨率的超快诊断技术，例如：研究宏观碰撞类超快过程需要〖10〗^(-3)s时间分辨率，研究爆炸或激波类超快过程需要〖10〗^(-6)s时间分辨率，研究高压放电以及大规模爆炸(如氢弹爆炸等)需要〖10〗^(-9)s时间分辨率，研究固体中声子的产生与传播需要〖10〗^(-12)s时间分辨率，研究原子振动、化学键的断裂等分子结构动力学需要〖10〗^(-15)s时间分辨率，研究原子内电子运动等微观过程需要〖10〗^(-18)时间分辨率。

图3.不同时间分辨率的超快事件举例

　　超快诊断技术可以同时获取超快事件发生过程中的时间信息和空间信息：时间信息通常以曝光时间、帧间隔时间来表示。空间信息通常以一维、二维或三维图像来表示。为了拍摄到一些超快过程，人们开始对照相机也提出了更高的要求来寻求一种能够“快速”成像的方法。

超快成像技术的发展

　　1939年法国画家达盖尔发明了世界上第一台真正的照相机，至此人类可以记录生活中的“瞬间”。达盖尔从小就十分擅长画画，他经常被镇上的人邀请去画逼真的人物肖像。画画花去达盖尔很多时间和经历，他的耐心也逐渐被磨光。所以他就在想：“有没有一种方法能快速地成像，不用我那么辛苦呢？”这种“荒唐”的想法在年幼的达盖尔脑海中迸发出来。

　　青年时代的达盖尔主要从事的工作是舞美设计，即为舞台剧设计背景画面。这些背景画多以自然风光的绘画为主。大篇幅的绘画作品、枯燥而重复的绘画方式，让他感到疲倦而厌烦。当他痛苦沮丧时，年幼时那个“一种能快速成像”的“荒唐”想法冒了出来。于是，他开始尝试发明这样的技术。

图4.达盖尔画像

　　某天达盖尔在药品箱里寻找药品，突然看到过去曾经曝光过的底片上有一个十分清晰的影像。他把药箱里里里外外反复检查了一遍。最后发现，是箱子里的小水银珠起了作用。水银珠沾上的底片附近，图像清晰可见，而其他地方则变得模糊不清。这次意外的发现，让达盖尔找到了梦寐以求的制作照片成像底板的材质。经过多次实验，他成功地将镀有碘化银的底片制成了能够永久保存的底片材料。1839年，达盖尔公布了自己的发明，在法国引起了巨大的轰动。如今，我们使用的照相机都是依据达盖尔摄影法的原理进行改进和升级的。

图5.达盖尔制造的银盘相机

　　随后在1931年高速摄影技术先驱豪罗埃哲顿发明了频闪照相观测技术，从此拉开了高速摄影的序幕。如图左为使用频闪照相观测技术记录的奶滴落入奶中以及雨滴落入水中的瞬间的变化。

图6.使用频闪照相技术拍摄的奶滴和雨滴的变化

　　随后，20世纪70年代出现了工业相机，它是机器视觉系统的重要组成部分，在机器视觉系统中有着非常重要的作用。相比于传统相机而言，它具有高稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优势。它的成像速度为10万帧/秒。超快的成像速度使它在工业领域应用广泛，用来观察速度很快的子弹击中鸡蛋后鸡蛋破碎的状态、击中锋利的铁片后子弹被划开的过程状态以及子弹击中物体时，物体受到冲击时内部构造产生的方向、状态等，可用来分析材料被破坏时物质的结构。

图7.普通工业相机

图8.普通工业相机的应用

　　同时代又出现了一种条纹相机，它是一种超高速探测器，能够捕获短时间内发生的光发射现象。它的成像速度可以达到1000亿帧/秒，比如使用条纹相机可以观测到光脉冲通过水瓶时的传播速度。条纹相机是同时具备超高时间分辨(皮秒至飞秒)与高空间分辨(微米)的高端科学仪器，是实现微观和超快过程探测的必要手段。通俗地讲，条纹相机是将时间分辨率转换成了空间分辨率。比如有一队人依次进入一个房间，如果你想弄清楚他们进入房间的顺序，可以让先进来的人站在屋子的一头，后面进来的人一次排在他旁边站队，最后根据空间上他们的站位分辨先来后到。

图9.西安光机所研制的条纹相机

图10.使用传统条纹相机逐帧合成技术来观察光脉冲通过水瓶整个过程中的变化

　　条纹相机主要工作原理就是超快光信号打在条纹变相管的光电阴极上，根据光电效应，光电阴极将光信号转换成电子信号，再通过系统加速、聚焦后进入偏转板，偏转板将入射电子束进行不同角度的偏转，最终在荧光屏将时间变化的电信号转化为随空间变化的光信号。图像采集系统是将从像增强器输出的光信号耦合到CCD的感光面上，完成对该光信号的存储和传输，实现图像信号的记录。

图11.条纹相机的工作原理图

　　“科技兴则民族兴，科技强则国家强。”在国际舞台上，科技水平是衡量国家综合国力的重要因素。2018年06月，由中科院西安光机所承担的国家重大科研装备研制项目—“高性能条纹相机的研制”顺利通过验收，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，对于实现超快诊断相关技术与精密测量仪器的自主研制生产，满足国家重大工程、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。这也激励了一代代的西光学子砥砺前进，作为西光学子，我们相信只要抓住信息化发展历史机遇，就能交出一份推动科技高质量发展的满意答卷！