211service.com
Nieuwe camera legt licht in beweging vast
Hollywood moet zijn toevlucht nemen tot bedrog om bioscoopbezoekers laserstralen te laten zien die door de lucht reizen. Dat komt omdat de stralen te snel bewegen om op film vast te leggen. Nu kan een camera die frames opneemt met een snelheid van 0,6 biljoen per seconde, echt het stuiterende pad van een laserpuls vastleggen.
Bekijk een video van een laserpuls door een colafles bewegen , of stuiteren op een tomaat .
Het systeem is ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Ramesh Raskar bij MIT's Media Lab. De camera is momenteel beperkt tot een tafelblad in het laboratorium van de groep en kan opnemen wat er gebeurt als zeer korte pulsen van laserlicht - die slechts 50 femtoseconden (50.000 biljoenste van een seconde) lang duren - objecten voor hen raken. De camera legt de pulsen vast die tussen objecten kaatsen en weerkaatsen.
Raskar zegt dat de nieuwe camera kan worden gebruikt voor nieuwe soorten medische beeldvorming, waarbij licht in lichaamsweefsel wordt gevolgd. Het zou ook nieuwe soorten fotografische manipulatie mogelijk maken. In experimenten heeft de camera beelden vastgelegd van ongeveer 500 bij 600 pixels groot.
De snelste wetenschappelijke camera's op de markt leggen doorgaans beelden vast met snelheden in de lage miljoenen frames per seconde. Ze werken op dezelfde manier als een digitale consumentencamera, met een lichtsensor die het licht van de lens omzet in een digitaal signaal dat op schijf wordt opgeslagen.
De Media Lab-onderzoekers moesten het anders aanpakken, zegt Andreas Velten , lid van het onderzoeksteam. De reactietijd van een elektronisch systeem is inherent beperkt tot ongeveer 500 picoseconden, zegt hij, omdat het in dergelijke ontwerpen te lang duurt voordat elektronische signalen langs de draden en door de chips gaan. [Onze sluitertijd is] iets minder dan twee picoseconden omdat we licht detecteren met een streak-camera, wat het elektrische probleem omzeilt.
Meestal gebruikt om de timing van laserpulsen te meten dan voor fotografie, heeft een streak-camera geen elektronica nodig om licht op te nemen. Licht dat de streak-camera binnenkomt, valt op een gespecialiseerde elektrode - een fotokathode - die de stroom fotonen omzet in een bijpassende stroom elektronen. Die elektronenstraal raakt een scherm aan de achterkant van de streak-camera dat bedekt is met chemicaliën die oplichten waar de straal ook valt. Hetzelfde mechanisme is aan het werk in een traditioneel kathodestraalbuis-tv-toestel.
Omdat een streak-camera slechts een zeer smalle lijn van een scène tegelijk kan bekijken, gebruikt het MIT-systeem spiegels om een volledig beeld op te bouwen. Een conventionele digitale camera legt de beelden vast vanaf de achterkant van de streak-camera en deze beelden worden vervolgens door software gecompileerd tot de uiteindelijke uitvoer. Elk beeld dat door de digitale camera wordt vastgelegd, legt slechts het kleine deel van de reis van een straal vast die zichtbaar is voor de streak-camera.
Een resultaat van dit ontwerp is dat video's die door het team zijn gemaakt, de volgorde van gebeurtenissen laten zien terwijl een laserpuls rondkaatst, maar ze leggen niet het lot van een enkele lichtpuls vast. In plaats daarvan leggen ze een reeks snapshots vast van de acties van vele opeenvolgende, identieke lichtpulsen, dankzij een strakke synchronisatie tussen de lichtpulsen en de streak-camera. We hebben een evenement nodig dat herhaalbaar is om een afbeelding of video te maken, zegt Velten.
Dat in tegenstelling tot wat algemeen bekend staat als 's werelds snelste camera, een systeem onthuld in 2009 door een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, die 6,1 miljoen frames per seconde vastlegt en een sluitertijd heeft van 163 nanoseconden, vergeleken met de 1,7 picoseconden van de MIT-groep.
Omdat het MIT-systeem geen beeld kan vormen van gebeurtenissen die niet in een regelmatige cyclus plaatsvinden, zijn er grenzen aan waarvoor het kan worden gebruikt, maar Velten zegt dat het nog steeds waardevol is om de gewoonlijk niet-waarneembare beweging van licht te vertragen.
Een mogelijke toepassing is een nieuw soort medische beeldvorming die Velten en Raskar echografie met licht noemen. Dat zou inhouden dat laserpulsen in weefsel worden afgevuurd en het vermogen van de camera wordt gebruikt om lichtbewegingen onder een oppervlak vast te leggen om meer te weten te komen over structuren en andere informatie die onzichtbaar is met normale verlichting en camera's. Het potentieel daarvoor is te zien in de video's van de groep, zegt Velten. Je kunt reflecties zien gebeuren en licht zien bewegen onder het oppervlak van objecten.
De MIT-onderzoeksgroep gebruikte eerder een vergelijkbare opstelling om beelden van rond hoeken te verzamelen, door een laser om een hoek te laten stuiteren en vervolgens licht dat terugkaatste op te vangen.
Srinivasa Narasimhan , een professor aan de Carnegie Mellon University die computationele fotografie onderzoekt, noemt het snelle beeldvormingssysteem van MIT geweldig. Hij zegt dat natuurkundigen en scheikundigen het zouden kunnen gebruiken om zeer korte gebeurtenissen en reacties in beeld te brengen, of om ons begrip van de interactie van licht met objecten te verfijnen. We weten al lang hoe we de voortplanting van licht kunnen simuleren, zegt hij. Nu kunnen we zien dat licht zich in slow motion voortplant en interactie aangaat met de scène om deze dingen te verifiëren. Zien is geloven.
Omdat de MIT-camera precies kan zien hoe licht interageert met een scène, kan hij ook 3D-informatie verzamelen die kan worden gebruikt om nieuwe soorten fotografische manipulatie uit te voeren, zegt Velten. Als je die extra informatie over een scène hebt, kun je dingen doen zoals de belichting in een foto veranderen nadat je hem hebt gemaakt, zegt hij. Start-up bedrijf Lytro lanceerde onlangs een camera die het pad registreert dat licht aflegt om soortgelijke trucs uit te voeren.
De indrukwekkende snelheid van het MIT-systeem komt momenteel samen met wat bulk: de camera-opstelling beslaat een bank ter grootte van een eettafel, waarbij de laser de ruimte eronder vult. Maar Velten zegt dat de laser meer dan tien jaar oud is en kan worden vervangen door een laser die ongeveer zo groot is als een desktopcomputer. Hij voegt eraan toe dat er onderzoek gaande is dat het hele systeem zal verkleinen tot het formaat van een laptop.
Velten zegt dat het onderzoeksteam zich nu richt op het compacter maken van het systeem, het identificeren van specifieke toepassingen en het vergroten van de afbeeldingen die het verzamelt. Het verder verhogen van de snelheid heeft een lage prioriteit, zegt hij. We kijken al naar licht dat beweegt, dus er is geen reden om sneller te gaan.