دوربینی با سرعت ۲ میلیارد فریم بر ثانیه؛ نور دیگر فرار نمی‌کند! + ویدیو

برایان هایدت، یوتیوبر معروف با نام مستعار AlphaPhoenix، در گاراژ خود دوربینی ساخته که قادر است با سرعت خیره‌کننده‌ ۲ میلیارد فریم بر ثانیه فیلم‌برداری کند.

به گزارش تک‌ناک، این سرعت به او اجازه می‌دهد که حرکت نور در هوا را ثبت کند. هایدت در ویدیویی که ۱۷ اکتبر در یوتیوب منتشر کرد، پرتوهای نور را در حرکت آهسته به نمایش گذاشت؛ صحنه‌هایی که بینندگان را قادر می‌سازد چیزی را ببینند که تا پیش از این فقط در تئوری ممکن بود، که سرعت نور، حدود یک فوت در هر نانوثانیه در قالب تصاویری منجمد است.

دوربین این دانشمند گاراژی از یک لیزر پرقدرت استفاده می‌کند که پرتو آن از یک سو به سوی دیگر گاراژ شلیک می‌شود، پس از بازتاب از آینه‌ها میان چند سطح موازی زیگ‌زاگ می‌زند و در نهایت به دیوار می‌خورد. ذرات مه در هوا، نور را پراکنده و آن را برای حسگر دوربین قابل مشاهده می‌کنند. در سرعت ۲ میلیارد فریم بر ثانیه، پرتو نور به نمایشی شگفت‌انگیز و خیال‌انگیز تبدیل می‌شود؛ نوری که گویی از دل فیلم‌های علمی‌-تخیلی بیرون آمده است.

چگونگی رسیدن به ۲ میلیارد فریم بر ثانیه

این یوتیوبر پیش‌تر در سال ۲۰۲۴ موفق به ساخت دوربینی با سرعت ۱ میلیارد فریم بر ثانیه شده بود، اما برای دستیابی به این رکورد خارق‌العاده جدید، مجبور شد کل سیستم را از پایه بازسازی کند. او موتورهای دوربین را برای دقتی بالاتر ارتقا داد، اپتیک‌ها را برای ثبت تصاویر واضح‌تر تقویت کرد و نرم‌افزار را بازطراحی نمود تا بتواند حجم عظیم داده‌ها را به‌ صورت لحظه‌ای پردازش کند. نتیجه این بهبودها، ثبت حرکت نور در حال عبور از فضا بود؛ چیزی که پیش از این هرگز ممکن نبود.

مکان قرارگیری دوربین، نحوه نمایش نور را تغییر می‌دهد. زمانی که دوربین به‌طور مستقیم پشت لیزر قرار می‌گیرد، پرتو خروجی گویی در حال خزیدن است، در حالی که نور بازتابی تقریباً فوری به نظر می‌رسد. این پدیده نقض قوانین فیزیک نیست، چرا که نور بازتاب‌شده از ذرات نزدیک به دوربین، زودتر به حسگر می‌رسد، نسبت به نوری که از ذرات دورتر بازمی‌گردد. زمانی که هایدت دوربین را به سمت دیگر گاراژ می‌برد، شرایط بالعکس می‌شود؛ نور دورتر تقریباً فوری دیده می‌شود و نور نزدیک، زمان بیشتری برای رسیدن می‌برد. نمایشی زنده از رفتار نور که ذهن هر بیننده‌ای را مجذوب خود می‌کند.

دوربین چگونه نور را دریافت می‌کند؟

ثبت یک تصویر کامل با سرعت ۲ میلیارد فریم بر ثانیه با فناوری‌های معمولی غیرممکن است. هایدت این چالش را با ابتکاری ساده اما هوشمندانه حل کرد: استفاده از یک آینه کوچک که روی گیمبال نصب شده است و پرتو لیزر را روی یک حسگر فوق‌حساس هدایت می‌کند. هر حرکت تابش نور، یک پیکسل را ثبت می‌کند و سپس این پیکسل‌ها در کنار هم ترکیب می‌شود و تصویر کامل شکل می‌گیرد. اگرچه این روش سرعت پایینی دارد، اما دقتی فوق‌العاده ارائه می‌دهد و عملکرد دوربین میلیون دلاری با هزاران حسگر هم‌زمان را شبیه‌سازی می‌کند.

هایدت برای دستیابی به چنین دقتی، سرووهای معمولی را با انکودرهای با وضوح بالا و تسمه‌های زمان‌بندی دقیق جایگزین کرد. این قطعات حرکت آینه را تا کسری از یک درجه کنترل می‌کنند؛ جایی که کوچک‌ترین انحراف می‌تواند کل تصویر را به‌کلی خراب کند.

مدیریت داده‌ها با سرعت فرابشری

الکترونیک پشت این سیستم به همان اندازه پیچیده است. یک لوله فوتومولتپلایر، فوتون‌های ورودی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند که از طریق کابل‌های کواکسیال به اسیلوسکوپی منتقل می‌شوند که ۲ میلیارد بار در ثانیه نمونه‌برداری می‌کند. هایدت روش هوشمندانه‌ای برای کاهش نویز ابداع کرد؛ او سیگنال PMT و پالس هم‌زمان‌سازی را از طریق همان کابل ارسال می‌کند، به‌طوری که با دقت زمان‌بندی‌شده و مستقل به مقصد برسند. ترکیب اپتیک، الکترونیک و نرم‌افزار، توهمی یکپارچه ایجاد می‌کند که گویی فریم‌های کامل با سرعتی بی‌سابقه ضبط می‌شوند.