Ny kamera fångar ljus i rörelse

Hollywood måste ta till knep för att visa biobesökare laserstrålar som färdas genom luften. Det beror på att strålarna rör sig för snabbt för att kunna fångas på film. Nu kan en kamera som spelar in bildrutor med en hastighet av 0,6 biljoner varje sekund verkligen fånga den studsande vägen för en laserpuls.

Se en video av en laserpuls rör sig genom en colaflaska , eller studsar av en tomat .

Systemet har utvecklats av forskare under ledning av Ramesh Raskar på MIT:s Media Lab. För närvarande begränsad till en bordsskiva inne i gruppens labb, kan kameran spela in vad som händer när mycket korta pulser av laserljus – varar bara 50 femtosekunder (50 000 biljondelar av en sekund) långa – träffar föremål framför dem. Kameran fångar pulserna som studsar mellan och reflekterar från föremål.

Raskar säger att den nya kameran kan användas för nya typer av medicinsk bildbehandling, spåra ljus inuti kroppsvävnad. Det kan också möjliggöra nya typer av fotografisk manipulation. I experiment har kameran fångat bildrutor med en storlek på ungefär 500 gånger 600 pixlar.

De snabbaste vetenskapliga kamerorna på marknaden tar vanligtvis bilder med hastigheter i låga miljontals bilder per sekund. De fungerar på samma sätt som en konsumentdigitalkamera fungerar, med en ljussensor som omvandlar ljus från linsen till en digital signal som sparas på disken.

Media Lab-forskarna var tvungna att ta ett annat förhållningssätt, säger Andreas Velten , en medlem av forskargruppen. Ett elektroniskt systems reaktionstid är i sig begränsad till ungefär 500 pikosekunder, säger han, eftersom det tar för lång tid för elektroniska signaler att färdas längs ledningarna och genom chipsen i sådana konstruktioner. [Vår slutartid är] strax under två pikosekunder eftersom vi upptäcker ljus med en streakkamera, som kommer runt det elektriska problemet.

Mer typiskt används för att mäta tidpunkten för laserpulser än för fotografering, en streakkamera behöver ingen elektronik för att registrera ljus. Ljus som kommer in i streakkameran faller på en specialiserad elektrod - en fotokatod - som omvandlar strömmen av fotoner till en matchande ström av elektroner. Den elektronstrålen träffar en skärm på baksidan av streakkameran som är täckt med kemikalier som lyser upp varhelst strålen faller. Samma mekanism fungerar i en traditionell katodstrålerör-TV.

Eftersom en streak-kamera bara kan se en mycket smal linje av en scen på en gång, använder MIT-systemet speglar för att bygga upp en full vy. En konventionell digitalkamera fångar bilderna från baksidan av streakkameran, och dessa bilder kompileras sedan av programvara till den slutliga utgången. Varje bild som fångas av digitalkameran registrerar bara den lilla bråkdelen av en stråles resa som är synlig för streakkameran.

Ett resultat av denna design är att videor som tagits av teamet visar händelseförloppet när en laserpuls studsar runt, men de fångar inte ödet för en enda ljuspuls. Snarare fångar de en sekvens av ögonblicksbilder från handlingar av många på varandra följande, identiska ljuspulser, tack vare tät synkronisering mellan ljuspulserna och streakkameran. Vi behöver en händelse som är repeterbar för att skapa en bild eller video, säger Velten.

Det står i motsats till vad som är allmänt känt som världens snabbaste kamera, ett system avslöjades 2009 av en forskargrupp vid University of California, Los Angeles, som fångar 6,1 miljoner bilder per sekund och har en slutartid på 163 nanosekunder, jämfört med MIT-gruppens 1,7 pikosekunder.

Eftersom MIT-systemet inte kan avbilda händelser som inte inträffar på en vanlig cykel, finns det gränser för vad det kan användas till, men Velten säger att det fortfarande finns ett värde i att sakta ner den vanligtvis oobserverbara rörelsen av ljus.

En möjlig tillämpning är en ny typ av medicinsk bildbehandling som Velten och Raskar kallar ultraljud med ljus. Det skulle innebära att avfyra laserpulser i vävnad och använda kamerans förmåga att registrera ljusrörelser under en yta för att lära sig om strukturer och annan information som är osynlig med normal belysning och kameror. Potentialen för det kan ses i gruppens videor, säger Velten. Du kan se reflektioner ske och ljus röra sig under ytan på föremål.

MIT-forskargruppen använde tidigare en liknande uppställning för att samla in bilder runt hörnen, genom att studsa en laser runt ett hörn och sedan fånga allt ljus som studsade tillbaka.

Srinivasa Narasimhan , en professor vid Carnegie Mellon University som forskar om datorfotografering, kallar MITs snabba bildsystem fantastiskt. Han säger att fysiker och kemister kan använda det för att avbilda mycket korta händelser och reaktioner, eller för att förfina vår förståelse av hur ljus interagerar med föremål. Vi har länge vetat hur man simulerar ljusutbredning, säger han. Nu kan vi faktiskt se ljus fortplanta sig och interagera med scenen i slow motion för att verifiera dessa saker. Se är att tro.

Eftersom MIT-kameran kan se exakt hur ljus interagerar med en scen, kan den också samla in 3D-information som kan användas för att utföra nya typer av fotografisk manipulation, säger Velten. När du har den där extra informationen om en scen kan du göra saker som att ändra belysningen i ett foto efter att du har tagit det, säger han. Startupföretaget Lytro lanserade nyligen en kamera som registrerar vägen som ljuset tar för att kunna utföra liknande trick.

MIT-systemets imponerande hastighet kommer för närvarande tillsammans med en del bulk: kamerainställningen täcker en matbordsbänk, med lasern som fyller utrymmet under. Men Velten säger att lasern är över ett decennium gammal och kan ersättas av en som är ungefär lika stor som en stationär dator. Han tillägger att forskning pågår som kommer att krympa hela systemet till storleken på en bärbar dator.

Velten säger att forskargruppen nu fokuserar på att göra systemet mer kompakt, identifiera specifika applikationer och öka storleken på bilderna som det samlar in. Att ytterligare öka hastigheten är lågprioriterat, säger han. Vi tittar redan på hur ljuset rör sig, så det finns ingen anledning att gå snabbare.

Dölj