La nuova fotocamera cattura la luce in movimento

Hollywood deve ricorrere all'inganno per mostrare agli spettatori i raggi laser che viaggiano nell'aria. Questo perché i raggi si muovono troppo velocemente per essere catturati su pellicola. Ora una fotocamera che registra fotogrammi a una velocità di 0,6 trilioni al secondo può davvero catturare il percorso di rimbalzo di un impulso laser.

Guarda un video di un impulso laser muovendosi attraverso una bottiglia di Coca Cola , o rimbalzare su un pomodoro .

Il sistema è stato sviluppato da ricercatori guidati da Ramesh Raskar al Media Lab del MIT. Attualmente limitata a un tavolo all'interno del laboratorio del gruppo, la telecamera può registrare ciò che accade quando impulsi molto brevi di luce laser, della durata di soli 50 femtosecondi (50.000 trilionesimi di secondo), colpiscono gli oggetti di fronte a loro. La fotocamera cattura gli impulsi che rimbalzano e si riflettono sugli oggetti.

Raskar afferma che la nuova fotocamera potrebbe essere utilizzata per nuovi tipi di imaging medico, tracciando la luce all'interno del tessuto corporeo. Potrebbe anche consentire nuovi tipi di manipolazione fotografica. Negli esperimenti, la fotocamera ha catturato fotogrammi di dimensioni di circa 500 per 600 pixel.

Le fotocamere scientifiche più veloci sul mercato in genere acquisiscono immagini a velocità di milioni di fotogrammi al secondo. Funzionano in modo simile a come funziona una fotocamera digitale consumer, con un sensore di luce che converte la luce dall'obiettivo in un segnale digitale che viene salvato su disco.

I ricercatori di Media Lab hanno dovuto adottare un approccio diverso, afferma Andreas Velten , membro del gruppo di ricerca. Il tempo di reazione di un sistema elettronico è intrinsecamente limitato a circa 500 picosecondi, dice, perché impiega troppo tempo perché i segnali elettronici viaggino lungo i fili e attraverso i chip in tali progetti. [La nostra velocità dell'otturatore è] poco meno di due picosecondi perché rileviamo la luce con una fotocamera a strisce, che aggira il problema elettrico.

Più tipicamente utilizzata per misurare i tempi degli impulsi laser che per la fotografia, una fotocamera a strisce non ha bisogno di dispositivi elettronici per registrare la luce. La luce che entra nella telecamera a strisce cade su un elettrodo specializzato, un fotocatodo, che converte il flusso di fotoni in un flusso corrispondente di elettroni. Quel raggio di elettroni colpisce uno schermo sul retro della telecamera a strisce che è coperto di sostanze chimiche che si illuminano ovunque cada il raggio. Lo stesso meccanismo è all'opera in un tradizionale televisore a tubo catodico.

Poiché una telecamera a strisce può visualizzare solo una linea molto stretta di una scena alla volta, il sistema del MIT utilizza gli specchi per creare una visione completa. Una fotocamera digitale convenzionale acquisisce le immagini dal retro della fotocamera per strisce e queste immagini vengono quindi compilate dal software nell'output finale. Ogni immagine catturata dalla fotocamera digitale registra solo la minuscola frazione del percorso di un raggio visibile dalla fotocamera a strisce.

Un risultato di questo progetto è che i video catturati dal team mostrano la sequenza di eventi mentre un impulso laser rimbalza, ma non catturano il destino di un singolo impulso di luce. Piuttosto, catturano una sequenza di istantanee dalle azioni di molti impulsi di luce successivi e identici, grazie alla stretta sincronizzazione tra gli impulsi di luce e la telecamera a strisce. Abbiamo bisogno di un evento ripetibile per creare un'immagine o un video, afferma Velten.

Ciò è in contrasto con quella che è ampiamente conosciuta come la fotocamera più veloce del mondo, un sistema svelato nel 2009 da un gruppo di ricerca dell'Università della California, Los Angeles, che cattura 6,1 milioni di fotogrammi al secondo e ha una velocità dell'otturatore di 163 nanosecondi, rispetto agli 1,7 picosecondi del gruppo del MIT.

Poiché il sistema del MIT non può visualizzare eventi che non accadono in un ciclo regolare, ci sono limiti a ciò per cui può essere utilizzato, ma Velten afferma che è ancora utile rallentare il movimento solitamente non osservabile della luce.

Una possibile applicazione è un nuovo tipo di imaging medico che Velten e Raskar chiamano ultrasuoni con luce. Ciò comporterebbe l'emissione di impulsi laser nei tessuti e l'utilizzo della capacità della fotocamera di registrare i movimenti della luce sotto una superficie per conoscere strutture e altre informazioni invisibili utilizzando l'illuminazione normale e le fotocamere. Il potenziale per questo può essere visto nei video del gruppo, dice Velten. Puoi vedere i riflessi che si verificano e la luce che si muove sotto la superficie degli oggetti.

Il gruppo di ricerca del MIT in precedenza aveva utilizzato una configurazione simile per raccogliere immagini da dietro gli angoli, facendo rimbalzare un laser dietro un angolo e quindi catturando qualsiasi luce che rimbalzasse indietro.

Srinivasa Narasimhan , un professore della Carnegie Mellon University che si occupa di fotografia computazionale, definisce sorprendente il sistema di imaging rapido del MIT. Dice che fisici e chimici potrebbero usarlo per visualizzare eventi e reazioni molto brevi, o per affinare la nostra comprensione di come la luce interagisce con gli oggetti. Sappiamo da molto tempo come simulare la propagazione della luce, dice. Ora possiamo effettivamente vedere la luce propagarsi e interagire con la scena al rallentatore per verificare queste cose. Vedere per credere.

Poiché la fotocamera del MIT può vedere esattamente come la luce interagisce con una scena, è anche in grado di raccogliere informazioni 3D che potrebbero essere utilizzate per eseguire nuovi tipi di manipolazione fotografica, afferma Velten. Quando hai quelle informazioni extra su una scena, puoi fare cose come cambiare l'illuminazione in una foto dopo averla scattata, dice. La startup Lytro ha recentemente lanciato una fotocamera che registra il percorso che la luce segue per eseguire trucchi simili.

L'impressionante velocità del sistema MIT attualmente arriva con un po' di ingombro: la configurazione della telecamera copre una panca delle dimensioni di un tavolo da pranzo, con il laser che riempie lo spazio sottostante. Ma Velten afferma che il laser ha più di dieci anni e potrebbe essere sostituito da uno più o meno delle dimensioni di un computer desktop. Aggiunge che sono in corso ricerche che ridurranno l'intero sistema alle dimensioni di un laptop.

Velten afferma che il team di ricerca si sta ora concentrando sul rendere il sistema più compatto, sull'identificazione di applicazioni specifiche e sull'aumento delle dimensioni delle immagini raccolte. Aumentare ulteriormente la velocità è una priorità bassa, dice. Stiamo già osservando il movimento leggero, quindi non c'è motivo di andare più veloci.

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