【科學家探索故事】中科大博士呂盼稂：與應用結合的科研更具價值
研發高速攝像破美日技術壟斷 助力火星探測工程
時間雖然不能變長，但卻可以被無限細分，細分到足夠讓你看清每一微秒都發生了什麼。「借助高速攝像機，我們已經實現每秒100萬幀的拍攝速度，回看這些照片，就像在顯微鏡下看時間一樣。」經過多年努力，中國科學技術大學（下文簡稱「中科大」）博士呂盼稂帶領其團隊，成功研發了具備國際先進水平的高速攝像儀器和精密測量分析技術，打破了日本、歐美等國家長期在該領域的壟斷。團隊自主研發的高速攝像機產品被廣泛應用於科研、航空航天、工業等領域，並在我國火星探測工程等多項國家重大科學研究任務中發揮重要作用。◆香港文匯報記者 趙臣 合肥報道
在位於安徽省合肥市包河區的合肥富煌君達高科信息技術有限公司（下文簡稱「君達高科」）實驗室內，香港文匯報記者見到了呂盼稂和其研發團隊。基於高速攝像技術與科研領域的結合，這個團隊正在研發跟蹤分析多相流中氣泡的技術，同時，包括工業領域的很多應用產品亦在同步研發中。「上周跟中科大的老師們交流，他們在高端儀器方面又有很多新的成果，具備成果轉化的條件。」呂盼稂興奮地介紹，他亦希望助力更多科研工作者進行成果轉化，促進我國高端儀器領域的快速發展。
進口機器頻故障 決心自己造一台
呂盼稂1996年考入中科大，隨後的15年裏，從碩士到博士後，他一直在該校求學、工作。呂盼稂回憶，第一次見到高速攝像機是在他大一參觀學校實驗室時，那是台膠片機，每拍一秒鐘的素材，竟要耗費幾十米長的膠片。雖然用起來很麻煩，但呂盼稂卻對其產生了濃厚興趣。「後來學校有了從國外進口的數碼高速攝像機，上百萬元（人民幣，下同）一台，但使用過程中經常出現故障。」呂盼稂說，學校每次維修這台機器，還需要申請等各種手續，把儀器寄到國外，這樣一去一回，需要半年多時間。
因忍受不了這種經常性的故障導致對工作的「耽擱」，呂盼稂在學校博士後期間，就想着自己能不能試着維修。他發現，雖然高速攝像機內部的芯片、電路等結構不複雜，但因不明這台機器的算法，相比之下，自己造一台可能比維修更來得實際。在得到導師的鼓勵之後，他與兩位師弟一起展開了研究。他們先從美國進口芯片，用了兩年多時間，突破了芯片輸出的高速信號接收等核心問題，自己「攢」的第一台高速攝像機總算研發成功。「雖然只有100萬像素，每秒拍攝500幀，但在當時已足以滿足學校實驗室需求。」呂盼稂說。
成品元件受限多 創新調試獲專利
「既然我們做出來的高速攝像機用着還不錯，為什麼不做成產品給更多的科研人員使用呢？」呂盼稂告訴香港文匯報記者，當時國內需求全部依賴進口，還沒有一家企業生產高速攝像機產品，而且進口機器售價很高，從幾十萬元到上百萬元不等。與此同時，實驗所需的超高性能高速攝像機，還被一些國家列為禁止出口的名單，「超高性能的高速攝像機，發達國家均禁止對外出口，例如美國就禁止出口曝光時間小於100納秒的高速攝像機。」呂盼稂說。
2011年，呂盼稂博士後出站，受導師注重科研產業化的影響，決定與兩位師弟一起創業，創辦了君達高科，專注更高性能高速攝像機產品研發。
市場化產品研發的過程遠比呂盼稂想像中要難得多，「以傳感器芯片為例，當時團隊採購芯片的最高性能是400萬像素，每秒400幀的速度，但是團隊要實現500幀的指標，強行加快速度，輸出的圖片質量就很差。」團隊成員經過幾個月的反覆嘗試，最後通過精心調節芯片的驅動電路和外圍通信電路，才將輸出的圖像質量問題解決。
但遇到的問題不僅是傳感器芯片一個，一台完整的高速攝像機包含10種核心芯片以及400多種元器件，而市場上能採購到的成品元件性能很難直接滿足團隊的更高要求。要想在現有基礎上研發更高性能的儀器，必須挨個攻克核心元件。還有很多基礎功能元件，甚至需要團隊重新開發。創業初始階段，每天工作到凌晨3點是呂盼稂和團隊的工作常態，「團隊成員都很投入，大家特別興奮地去挨個攻克難題。」目前，包括存儲高速視頻數據的存儲控制器在內，團隊基於這些元件的創新研發，已經取得了60多項研發專利。
自研芯片破壟斷 今年有望創新高
經過近3年的摸索，呂盼稂團隊於2014年成功研發出第一台高性能高速攝像機。當時，擁有同等性能並只有進口儀器1/2價格的高速攝像機，為呂盼稂團隊逐漸贏得了市場口碑。隨着我國在航空航天、科研等領域的研發深入，市場對高速攝像機性能的需求也越來越高，同時為了突破外國的壟斷並不斷滿足國內研發需求，2018年，呂盼稂團隊決定自己研發核心器件圖像傳感器芯片。與普通芯片不同，圖像傳感器芯片屬於數模混合芯片，是芯片中最難的一種類型。團隊鉚足了勁，歷經兩年半的努力，才攻克了芯片傳輸信號不失真的最大難題。「這款芯片可以實現800萬像素，每秒2,000幀的速度，是我國第一款可以達到這一級別的芯片，在國際亦可達到領先水平。」呂盼稂介紹，團隊在研發芯片時對畫面比例、動態範圍等都做了優化，十分適合三維測量領域的產品應用。
而基於這款芯片的高性能，呂盼稂團隊研發的高速攝像機拍攝速度亦實現了每秒100萬幀的突破，打破了進口高端整機產品在國內市場的壟斷，該團隊亦成為國內唯一可以生產成熟商品化高速攝像機系統的團隊。如今，他們在高速攝像機領域的研發從未停止，呂盼稂透露，團隊今年的目標是實現高速攝像機拍攝速度達到每秒500萬幀的新高度。
