Los investigadores del MIT han creado un nuevo sistema de imágenes con el que se pueden adquirir datos visuales a un ritmo de un billón de exposiciones por segundo. Eso es lo suficientemente rápido como para producir un video en cámara lenta de una descarga de luz que viaja a lo largo de una botella de un litro, rebotando en la tapa y reflejando de nuevo al fondo de la botella.
Andreas Velten, uno de los desarrolladores del sistema, lo llama lo “último” en cámara lenta: “No hay nada en el universo que parezca rápido a la cámara”, dice.
El sistema se basa en una tecnología reciente llamada cámara streak, desplegado de una manera totalmente inesperada. La apertura de la cámara de streak es una rendija estrecha. Las partículas de luz – fotones – entran en la cámara a través de la rendija y pasan a través de un campo eléctrico que los desvía en una dirección perpendicular a la ranura. Debido a que el campo eléctrico está cambiando muy rápidamente, los fotones que llegan más tarde se desvían más que los que llegan primero.
La imagen producida por la cámara es de dos dimensiones, pero sólo una de las dimensiones – la correspondiente a la dirección de la rendija – es espacial. La otra dimensión, que corresponde al grado de deflexión, es el tiempo. La imagen por lo tanto representa, el momento de la llegada de los fotones que pasan a través de una porción de una dimensión del espacio.
La cámara fue diseñada para ser utilizada en los experimentos donde la luz pasa a través de o es emitida por una muestra de productos químicos. Dado que los químicos son los principales interesados en las longitudes de onda de luz que absorbe una muestra o en la forma de la intensidad de los cambios de la luz emitida a través del tiempo, el hecho de que la cámara registra sólo una dimensión espacial es irrelevante.
Pero es un serio inconveniente en una cámara de vídeo. Para producir sus videos en super-cámara-lenta, Velten, profesor asociado de Media Lab., Ramesh Raskar y Moungi Bawendi, profesor de Química de Lester Wolfe, debe realizar el mismo experimento – pasar un pulso de luz a través de una botella – una y otra vez, reposicionando continuamente la cámara streak para construir gradualmente una imagen de dos dimensiones. Sincronizar la cámara y el láser que genera el pulso, para que el tiempo de cada exposición sea la misma, requiere una gran cantidad de equipo óptico sofisticado y exquisito control mecánico. Toma solo un nanosegundo -una mil millonésima de segundo- para que la luz se disperse a través de una botella, pero se lleva alrededor de una hora para recopilar todos los datos necesarios para el video final. Por esa razón, Raskar llama al nuevo sistema “la cámara rápida más lenta del mundo“.
Analizando las matemáticas
Después de una hora, los investigadores acumulan cientos de miles de conjuntos de datos, cada una grafica las posiciones de una dimensión de fotones en contra de su tiempo de llegada. Raskar, Velten y otros miembros del grupo de Cultura de cámara Raskar en el Media Lab han desarrollado unos algoritmos que pueden unir los datos en bruto en una serie secuencial de imágenes de dos dimensiones.
La cámara streak y el láser que genera los pulsos de luz – ambos los dispositivos de última generación con un precio acumulado de 250.000 dólares – fueron proporcionados por Bawendi, un pionero en la investigación sobre los puntos cuánticos: pequeños racimos de partículas semiconductoras emisoras de luz que tienen aplicaciones potenciales en la computación cuántica, video-tecnología de pantalla, imágenes biológicas, células solares y una serie de otras áreas.
El billón de cuadros por segundo del sistema de imágenes, que los investigadores han presentado tanto en el cómputo de detección óptica de la Optical Society y la conferencia de imagen y de Siggraph, es una variación de otro proyecto de Cultura de cámara, una cámara que puede ver en las esquinas. Dicha cámara hace rebotar la luz en una superficie reflectante – por ejemplo, la pared de enfrente de una puerta – y midiendo el tiempo que tardan en regresar los fotones diferentes. Pero mientras ambos sistemas utilizan ráfagas ultracortas de luz láser y cámaras streak, la disposición de sus otros componentes ópticos y sus algoritmos de reconstrucción se adaptan a sus tareas dispares.
Debido a que el sistema ultrarrápido de imágenes requiere de múltiples pasos para producir sus videos, no puede registrar los eventos que no son exactamente repetibles. Las aplicaciones prácticas probablemente involucrarán los casos donde la forma en la que la luz se dispersa – o rebota alrededor cuando golpea superficies diferentes – es en sí misma una fuente de información útil. Sin embargo esos casos podrían incluir el análisis de la estructura física de materiales de fabricación y los tejidos biológicos – “como ultrasonido con luz”, como lo pone Raskar.
Como investigador de cámaras durante mucho tiempo, Raskar también ve una aplicación potencial en el desarrollo de mejores flashes de las cámaras. “Un último sueño es, ¿cómo se crea un estudio de la iluminación de una Compact Flash? ¿Cómo puedo llevar una cámara portátil que tiene un flash pequeño y crear la ilusión de que tengo todos estos paraguas, y las luces del deporte, y así sucesivamente?” pregunta Raskar, profesor asociado del desarrollo de la carrera del NEC, de Media Arts and Sciences.
“Con nuestra imagen ultrarrápida, en realidad podemos analizar actualmente cómo los fotones están viajando a través del mundo. Y luego podemos recrear una nueva foto, creando la ilusión de que los fotones comenzaron en otro lugar”.
“Es un trabajo muy interesante”. “Estoy muy impresionado”, dice Nils Abramson, un profesor de holografía aplicada en el Royal Sweden Institute of Technology. A finales de 1970, Abramson fue pionero de una técnica llamada holografía de luz en vuelo, que finalmente demostró ser capaz de capturar imágenes de las ondas de luz a una velocidad de 100 mil millones de fotogramas por segundo.
Sin embargo, como señala Abramson, su técnica requiere lo denominado luz coherente, lo que significa que las depresiones y crestas de las ondas de luz que producen la imagen tienen que alinearse unas con otras. “Si destruyes la coherencia cuando la luz está pasando a través de diferentes objetos, entonces no funciona”, dice Abramson. “Así que creo que es mucho mejor si usted puede usar la luz ordinaria, lo que hace Ramesh”.
De hecho, Velten dice: “Como los fotones rebotan en los objetos de la escena o en el interior, pierden la coherencia. Sólo un método de detección incoherente como el nuestro puede ver los fotones.” Y los fotones, Velten dice, podrían dejar que los investigadores “aprendan más sobre las propiedades del material de los objetos, sobre lo que está bajo su superficie y sobre el diseño de la escena. Porque podemos ver esos fotones, podríamos utilizarlos para observar el interior de los objetos -por ejemplo, para las imágenes médicas, o para identificar los materiales “.
“Estoy sorprendido de que el método que hemos estado utilizando no ha sido más popular”, añade Abramson. “Me he sentido bastante solo. Estoy muy contento de que alguien más está haciendo algo similar. Porque creo que hay muchas cosas interesantes por encontrar cuando se hace este estudio sobre la luz misma”.
Fuente:
http://web.mit.edu/ (en inglés)
