1秒間に1000億フレームの撮影が可能で光が飛ぶ様子も撮影できるカメラが誕生

1秒間に数千～数万フレームという超高速で撮影できるハイスピードカメラは水中で銃を撃った時の弾丸の軌跡などの肉眼では見ることができない光景を見せてくれるものですが、新たになんと1秒間に1000億フレームというさらなる超高速撮影を可能にするカメラが開発されました。光の動きをも捉えられるというカメラは物理学や宇宙科学の発展に寄与するものと期待されています。

Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second : Nature : Nature Publishing Group
http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7529/full/nature14005.html

World’s fastest 2-D camera may enable new scientific discoveries | Newsroom | Washington University in St. Louis
http://news.wustl.edu/news/Pages/27744.aspx

この超高速カメラを開発したのは、アメリカ・ワシントン大学のLihong Wang特別教授(医用生体工学)らによる研究チーム。Wang特別教授は既に実用化されているストリークカメラを応用したCompressed Ultrafast Photography(CUP)という技術を開発し、平面的な画像を最大で1秒間に1000億回撮影することを可能にしたとしています。1000億分の1秒というのは、光がわずか3mmしか進むことができないという極めて短い時間で、Wang特別教授は「人類は初めて光のパルスが飛ぶ様子を見ることが可能になりました」と語っています。

その仕組みの概念が以下の図で示されています。右上に置かれた対象物(Object)の映像(＝光)はレンズを通り、さらに長いチューブレンズを通って反対側のDMD(デジタルミラーデバイス)に届きます。DMDは映像プロジェクターなどにも使われている硬貨サイズの素子で、表面には7マイクロメートル(0.007mm)四方の非常に細かいミラーがびっしりと敷き詰められており、それぞれの角度を自由に変えることができるようになっています。個別のミラーによって180度反射された光は「ビームスプリッター」によって90度の角度で反射され、ストリークカメラに入ります。

ストリークカメラに入った光はセンサーによって電気(電子)信号に変換され、その信号を連続で並べることによって平面画像を描き出すことができる仕組みになっていると説明されています。ストリークカメラ単体だと「線(1次元)」の情報しか得ることができなかったのに対し、CUPの技術を用いることで、「面(2次元)」の情報を得ることを可能にしたのが画期的な技術であるとしています。

CUPを使って撮影された映像がこちら。2220ピコ秒(1000億分の222秒)の間に起こった出来事が記録されています。


これまで、この分野の技術としては東京大学が「STAMP」と呼ばれる手法をもとに開発した「世界最高速の連写カメラ」などがあり、1兆分の1秒レベルでの撮影が可能になっていました。しかしその中でCUPが実現したのはレーザーなどの特殊な照明を必要とせずに平面画像を可能にしたことであり、蛍光体や自ら光を放つ生物などの従来の装置では不可能だった撮影を行うことができるようになったのが重要なポイントと言えます。

Wang特別教授はこの技術により、極めて短い時間で消滅する蛍光タンパク質の変化を観察することなどが可能になること、またハッブル宇宙望遠鏡などの宇宙望遠鏡に取り付けることで、科学に新たな発見をもたらすことになるだろう、としています。