世界最高速の撮影を実現：UCLAの合田圭介氏ら(動画)
Image credit: Dave Bullock (eecue)/Wired.com
科学者たちが世界最速のカメラを開発した。毎秒610万コマの撮影が可能で、シャッタースピードは440ピコ秒[ピコは1兆分の1]を誇るという。これは、光でさえ1センチメートルの数分の1しか進めないほど短い時間だ。
このカメラでは、1画素ごとに振動数(周波数)の異なる赤外線レーザーを物体に照射することにより、これまでの方式では暗くて鮮明に捉えられなかった画像の電気信号を増幅させて鮮明にしている。
「われわれが発明した新しいタイプの撮影技術は、これまで感度と撮影速度との間に存在した根本的な限界を克服するものだ」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)で光電子工学を研究する合田(ごうだ)圭介氏は話す。「これは世界最速のカメラだ」
シャッタースピードを高速にすると、動いている物体の姿を鮮明に撮影することが可能になる。カメラのシャッターが開いている時間が短いと、その間に被写体が動く時間も短くなるためだが、通常これには欠点が伴う。カメラが取り込む光の量が少なくなるため、画像が暗くなるのだ。スポーツ写真の撮影に強力なストロボを焚くのはそのためだ。
それ以外の対策として、従来のフィルムでは感光性の高い化学物質を用いたり、デジタルカメラでは光センサーが捉えた信号を増幅させたりしている。しかし、フィルムは再現できる明るさのレンジが限られているし、それはデジタルカメラも同様だ。合田氏のカメラほどの撮影速度になると、光の量が少なすぎて増幅できない。
「われわれのカメラは、光学を用いた画像増幅装置を内蔵することで、感度と撮影速度が両立しない問題を克服している」と合田氏は言う。「これは、特に顕微鏡に使うと有用だ。超ミクロスケールでは視野が非常に狭いために、ゆっくりと動いている物体を一時的に捉えるのにさえ、高い解像度を必要とする」
Image credit: Dave Bullock (eecue)/Wired.com
「serial time-encoded amplified microscopy」(連続時間符号化振幅顕微鏡法)の頭文字をとって『STEAM』と呼ばれるこの技術では、撮影対象となる物体に、波長がさまざまに変動する赤外線レーザーを照射する。これらの波長は、センサー上の1画素ごとに対応している。
物体が反射した光をカメラのセンサーが受けると、各画素はそれぞれに対応する波長を拾い、波長は電子的に強化される。ほんの数個の光子から構成される、元々の暗い画像信号が、鮮明になるまで増幅される。従来のデジカメでは、センサーが元の波長を認識していないため、こうしたことは不可能だ。[Natureの記事によると、光の伝送には特別な光ファイバーケーブルを使い、異なった波長が異なった時間で到着する時間を記録。このデータから画像を構成する。UCLA newsの記事にも説明がある]
STEAMは現時点ではわずか3000画素の画像しか生成できず、その点では市場に出回っている数百万画素のカメラに遠く及ばない。しかし合田氏のチームは、いずれ標準的なデジカメと同等である数百万画素のカメラを開発し、毎秒1億コマの撮影速度と1ピコ秒のシャッタースピードを実現したいと考えている。[Natureの記事によると、次の研究では赤外線よりも短い波長を利用する予定という]
撮影の仕組み。Video credit: YouTube/Keisuke Goda
参考論文: “Serial time-encoded amplified imaging for real-time observation of fast dynamic phenomena.” By K. Goda, K. K. Tsia, & B. Jalali. Nature, Vol. 458, April 29, 2009.、論文アブストラクト
[合田氏は札幌生まれ。早大を中退して1998年に渡米。UCバークレーなどを経て2007年からUCLA博士研究員。経歴や将来などについて語る記事はこちら。合田氏がメタマテリアルや量子テレポーテーションについて語る講演録「ドラえもんの道具の実現可能性」はこちら]
