Jaunā kamera tver gaismu kustībā

Holivudai nākas ķerties pie viltībām, lai kinoskatītājiem parādītu lāzera starus, kas ceļo pa gaisu. Tas ir tāpēc, ka stari pārvietojas pārāk ātri, lai tos uzņemtu filmā. Tagad kamera, kas katru sekundi ieraksta kadrus ar ātrumu 0,6 triljoni, var patiesi tvert lāzera impulsa atlēcienu ceļu.

Skatiet video par lāzera impulsu pārvietojoties caur koksa pudeli , vai atlecot no tomāta .

Sistēmu izstrādāja pētnieki, kuru vadīja Ramešs Raskars MIT Media Lab. Pašlaik kamera ir tikai darba virsma grupas laboratorijā, un tā var ierakstīt to, kas notiek, kad ļoti īsi lāzera gaismas impulsi, kas ilgst tikai 50 femtosekundes (50 000 triljonās sekundes), ietriecas priekšā esošajos objektos. Kamera fiksē impulsus, kas lēkā starp objektiem un atstaro no tiem.

Raskars saka, ka jauno kameru varētu izmantot jauna veida medicīniskai attēlveidošanai, izsekojot gaismu ķermeņa audos. Tas varētu arī nodrošināt jaunus fotografēšanas manipulāciju veidus. Eksperimentos kamera ir uzņēmusi aptuveni 500x600 pikseļus lielus kadrus.

Ātrākās zinātniskās kameras tirgū parasti uzņem attēlus ar ātrumu, kas ir zems miljonos kadru sekundē. Tie darbojas līdzīgi kā patērētāju digitālās kameras, ar gaismas sensoru, kas pārvērš gaismu no objektīva digitālā signālā, kas tiek saglabāts diskā.

Media Lab pētniekiem bija jāizmanto cita pieeja, saka Andreass Veltens , pētnieku grupas dalībnieks. Viņš saka, ka elektroniskās sistēmas reakcijas laiks pēc būtības ir ierobežots līdz aptuveni 500 pikosekundēm, jo ​​elektroniskajiem signāliem ir nepieciešams pārāk ilgs laiks, lai pārvietotos pa vadiem un caur mikroshēmām šādās konstrukcijās. [Mūsu slēdža ātrums ir] nedaudz mazāks par divām pikosekundēm, jo ​​mēs uztveram gaismu ar svītru kameru, kas novērš elektriskās problēmas.

Svītru kamerai, ko biežāk izmanto lāzera impulsu laika mērīšanai, nevis fotografēšanai, gaismas ierakstīšanai nav nepieciešama elektronika. Gaisma, kas nonāk svītru kamerā, nokrīt uz specializēta elektroda — fotokatoda —, kas pārvērš fotonu plūsmu atbilstošā elektronu plūsmā. Šis elektronu stars saskaras ar ekrānu svītru kameras aizmugurē, kas ir pārklāts ar ķīmiskām vielām, kas iedegas visur, kur stars krīt. Tas pats mehānisms darbojas tradicionālajā katodstaru lampu televizorā.

Tā kā svītru kamera vienlaikus var skatīt tikai ļoti šauru ainas līniju, MIT sistēma izmanto spoguļus, lai izveidotu pilnu skatu. Parastā digitālā kamera uzņem attēlus no svītru kameras aizmugures, un pēc tam programmatūra šos attēlus apkopo galīgajā izvadē. Katrs attēls, kas uzņemts ar digitālo kameru, ieraksta tikai niecīgu stara ceļa daļu, kas redzama svītru kamerā.

Viens no šī dizaina rezultātiem ir tāds, ka komandas uzņemtajos videoklipos ir parādīta notikumu secība, kad lāzera impulss atsitās apkārt, taču tie nefiksē viena gaismas impulsa likteni. Tie drīzāk uzņem momentuzņēmumu secību no daudzu secīgu, identisku gaismas impulsu darbībām, pateicoties ciešai sinhronizācijai starp gaismas impulsiem un svītru kameru. Mums ir nepieciešams notikums, kas ir atkārtojams, lai izveidotu attēlu vai video, saka Veltens.

Tas ir pretstatā tam, kas ir plaši pazīstams kā pasaulē ātrākā kamera, sistēma atklāta 2009. gadā pētnieku grupa Kalifornijas Universitātē Losandželosā, kas uzņem 6,1 miljonu kadru sekundē un kura aizvara ātrums ir 163 nanosekundes, salīdzinot ar MIT grupas 1,7 pikosekundēm.

Tā kā MIT sistēma nevar attēlot notikumus, kas nenotiek regulārā ciklā, tās izmantošanai ir ierobežojumi, taču Veltens saka, ka joprojām ir lietderīgi palēnināt parasti nenovērojamo gaismas kustību.

Viens no iespējamiem lietojumiem ir jauna veida medicīniskā attēlveidošana, ko Veltens un Raskars sauc par ultraskaņu ar gaismu. Tas nozīmētu lāzera impulsu iedarbināšanu audos un kameras iespēju ierakstīt gaismas kustības zem virsmas, lai uzzinātu par struktūrām un citu informāciju, kas nav redzama, izmantojot parasto apgaismojumu un kameras. Potenciāls tam ir redzams grupas videoklipos, saka Veltens. Jūs varat redzēt atspīdumus un gaismu, kas pārvietojas zem objektu virsmas.

MIT pētniecības grupa iepriekš izmantoja līdzīgu iestatījumu, lai savāktu attēlus no stūriem, atsitot lāzeru ap stūri un pēc tam tverot jebkuru gaismu, kas atlēca atpakaļ.

Šrinivasa Narasimhans , Kārnegija Melona universitātes profesors, kurš pēta skaitļošanas fotogrāfiju, MIT ātrās attēlveidošanas sistēmu sauc par pārsteidzošu. Viņš saka, ka fiziķi un ķīmiķi to varētu izmantot, lai attēlotu ļoti īsus notikumus un reakcijas vai uzlabotu mūsu izpratni par to, kā gaisma mijiedarbojas ar objektiem. Viņš saka, ka mēs jau ilgu laiku zinām, kā simulēt gaismas izplatīšanos. Tagad mēs varam redzēt gaismas izplatīšanos un mijiedarboties ar ainu lēnā kustībā, lai pārbaudītu šīs lietas. Redzēt ir ticēt.

Tā kā MIT kamera var precīzi redzēt, kā gaisma mijiedarbojas ar ainu, tā spēj arī apkopot 3-D informāciju, ko varētu izmantot, lai veiktu jaunas fotografēšanas manipulācijas, saka Veltens. Ja jums ir papildu informācija par ainu, varat veikt tādas darbības kā, piemēram, mainīt fotoattēla apgaismojumu pēc tā uzņemšanas, viņš saka. Startup uzņēmums Lytro nesen laida klajā kameru, kas ieraksta ceļu, ko gaisma veic, lai veiktu līdzīgus trikus.

MIT sistēmas iespaidīgais ātrums pašlaik ir saistīts ar nelielu apjomu: kameras iestatījums aptver pusdienu galda izmēra soliņu, un lāzers aizpilda vietu zem tā. Bet Velten saka, ka lāzers ir vairāk nekā desmit gadus vecs, un to varētu aizstāt ar tādu, kas ir aptuveni galddatora izmēra. Viņš piebilst, ka tiek veikti pētījumi, kas ļaus visu sistēmu samazināt līdz klēpjdatora izmēram.

Velten saka, ka pētnieku komanda tagad koncentrējas uz sistēmas kompaktāku izveidi, konkrētu lietojumprogrammu identificēšanu un apkopoto attēlu lieluma palielināšanu. Viņš saka, ka turpmāka ātruma palielināšana ir zema prioritāte. Mēs jau skatāmies uz vieglu kustību, tāpēc nav iemesla braukt ātrāk.

paslēpties