Nowa kamera rejestruje światło w ruchu

Hollywood musi uciekać się do podstępu, aby pokazać kinom promienie laserowe poruszające się w powietrzu. To dlatego, że wiązki poruszają się zbyt szybko, aby można je było uchwycić na filmie. Teraz kamera, która rejestruje klatki z szybkością 0,6 biliona na sekundę, może naprawdę uchwycić ścieżkę odbijania się impulsu laserowego.

Zobacz film z impulsu laserowego poruszanie się po butelce po coli , lub odbijając się od pomidora .

System został opracowany przez naukowców kierowanych przez Ramesh Raskar w Media Lab MIT. Obecnie ograniczona do blatu w laboratorium grupy, kamera może rejestrować, co się dzieje, gdy bardzo krótkie impulsy światła laserowego – trwające zaledwie 50 femtosekund (50 000 bilionowych części sekundy) – uderzają w obiekty znajdujące się przed nimi. Kamera rejestruje impulsy odbijające się między obiektami i odbijające się od nich.

Raskar mówi, że nowa kamera może być używana do nowych rodzajów obrazowania medycznego, śledząc światło w tkance ciała. Mogłoby to również umożliwić nowatorskie rodzaje manipulacji fotograficznych. W eksperymentach kamera przechwyciła klatki o rozmiarze około 500 na 600 pikseli.

Najszybsze kamery naukowe na rynku zazwyczaj rejestrują obrazy z szybkością rzędu milionów klatek na sekundę. Działają podobnie do sposobu działania konsumenckiego aparatu cyfrowego, z czujnikiem światła, który przekształca światło z obiektywu na sygnał cyfrowy, który jest zapisywany na dysku.

Naukowcy z Media Lab musieli przyjąć inne podejście, mówi Andreas Velten , członek zespołu badawczego. Jak mówi, czas reakcji systemu elektronicznego jest z natury ograniczony do około 500 pikosekund, ponieważ w takich projektach sygnały elektroniczne potrzebują zbyt wiele czasu, aby przebyć drogę przez przewody i chipy. [Nasz czas otwarcia migawki wynosi] niecałe dwie pikosekundy, ponieważ wykrywamy światło za pomocą aparatu smugowego, co pozwala ominąć problem elektryczny.

Bardziej typowo używany do pomiaru czasu impulsów laserowych niż do fotografii, aparat smugowy nie potrzebuje żadnej elektroniki do rejestrowania światła. Światło wpadające do kamery smugowej pada na wyspecjalizowaną elektrodę – fotokatodę – która zamienia strumień fotonów na pasujący strumień elektronów. Ta wiązka elektronów trafia na ekran z tyłu kamery smugowej, który jest pokryty chemikaliami, które zapalają się w miejscu, w którym pada wiązka. Ten sam mechanizm działa w tradycyjnym telewizorze z kineskopem.

Ponieważ kamera smugowa może wyświetlać tylko bardzo wąską linię sceny w jednym czasie, system MIT wykorzystuje lustra do tworzenia pełnego widoku. Konwencjonalny aparat cyfrowy przechwytuje obrazy z tyłu kamery smugowej, a następnie te obrazy są następnie kompilowane przez oprogramowanie do końcowego wyniku. Każdy obraz uchwycony przez aparat cyfrowy rejestruje tylko niewielki ułamek podróży wiązki widoczny dla kamery smugowej.

Jednym z wyników tego projektu jest to, że filmy nagrane przez zespół pokazują sekwencję zdarzeń, gdy impuls lasera odbija się wokół, ale nie ukazują losu pojedynczego impulsu światła. Przechwytują raczej sekwencję migawek z działań wielu następujących po sobie, identycznych impulsów świetlnych, dzięki ścisłej synchronizacji między impulsami świetlnymi a kamerą smugową. Potrzebujemy wydarzenia, które będzie powtarzalne, aby stworzyć obraz lub film, mówi Velten.

Jest to w przeciwieństwie do tego, co jest powszechnie znane jako najszybszy aparat na świecie, system odsłonięty w 2009 r. przez grupę badawczą z University of California w Los Angeles, która rejestruje 6,1 miliona klatek na sekundę i ma czas otwarcia migawki 163 nanosekundy, w porównaniu do 1,7 pikosekundy grupy MIT.

Ponieważ system MIT nie może zobrazować zdarzeń, które nie mają miejsca w regularnych cyklach, istnieją ograniczenia co do tego, do czego może być używany, ale Velten twierdzi, że nadal warto spowolnić zwykle nieobserwowalny ruch światła.

Jednym z możliwych zastosowań jest nowy rodzaj obrazowania medycznego, który Velten i Raskar nazywają ultrasonografią za pomocą światła. Wymagałoby to wystrzelenia impulsów laserowych w tkankę i wykorzystania zdolności aparatu do rejestrowania ruchów światła pod powierzchnią w celu poznania struktur i innych informacji niewidocznych przy użyciu normalnego oświetlenia i kamer. Potencjał do tego widać w filmach grupy, mówi Velten. Możesz zobaczyć odbicia i światło poruszające się pod powierzchnią obiektów.

Grupa badawcza z MIT wcześniej używała podobnej konfiguracji do zbierania obrazów zza rogów, odbijając laser w rogach, a następnie przechwytując każde odbite światło.

Srinivasa Narasimhan , profesor Carnegie Mellon University, który zajmuje się badaniem fotografii obliczeniowej, nazywa system szybkiego obrazowania MIT niesamowitym. Mówi, że fizycy i chemicy mogliby go użyć do zobrazowania bardzo krótkich zdarzeń i reakcji lub do udoskonalenia naszego zrozumienia interakcji światła z obiektami. Od dawna wiemy, jak symulować propagację światła – mówi. Teraz możemy rzeczywiście zobaczyć propagację światła i interakcję ze sceną w zwolnionym tempie, aby zweryfikować te rzeczy. Zobaczyć to uwierzyć.

Ponieważ kamera MIT dokładnie widzi, jak światło wchodzi w interakcję ze sceną, jest również w stanie zbierać informacje 3D, które można wykorzystać do wykonywania nowatorskich rodzajów manipulacji fotograficznych, mówi Velten. Kiedy masz dodatkowe informacje o scenie, możesz na przykład zmienić oświetlenie na zdjęciu po jego zrobieniu, mówi. Startupowa firma Lytro wypuściła niedawno kamerę, która rejestruje drogę, jaką obiera światło, aby wykonywać podobne sztuczki.

Imponująca prędkość systemu MIT wiąże się obecnie z pewną masą: konfiguracja kamery obejmuje ławkę wielkości stołu jadalnego, z laserem wypełniającym przestrzeń pod spodem. Ale Velten twierdzi, że laser ma ponad dekadę i można go zastąpić innym mniej więcej wielkości komputera stacjonarnego. Dodaje, że trwają badania, które zmniejszą cały system do rozmiarów laptopa.

Velten mówi, że zespół badawczy koncentruje się obecnie na zwiększeniu kompaktowości systemu, identyfikacji konkretnych zastosowań i zwiększeniu rozmiaru gromadzonych obrazów. Dalsze zwiększanie prędkości ma niski priorytet, mówi. Już patrzymy na poruszające się światło, więc nie ma powodu, aby jechać szybciej.

ukryć