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Neue Kamera fängt Licht in Bewegung ein
Hollywood muss zu Tricks greifen, um den Kinobesuchern Laserstrahlen zu zeigen, die durch die Luft fliegen. Das liegt daran, dass sich die Strahlen zu schnell bewegen, um auf Film festgehalten zu werden. Jetzt kann eine Kamera, die jede Sekunde Bilder mit einer Rate von 0,6 Billionen Bildern aufnimmt, den Aufprallpfad eines Laserpulses wirklich erfassen.
Sehen Sie sich ein Video eines Laserpulses an sich durch eine Cola-Flasche bewegen , oder von einer Tomate abprallen .
Das System wurde von Forschern unter der Leitung von . entwickelt Ramesh Raskar im Media Lab des MIT. Die Kamera ist derzeit auf eine Tischplatte im Labor der Gruppe beschränkt und kann aufzeichnen, was passiert, wenn sehr kurze Laserlichtpulse – mit einer Dauer von nur 50 Femtosekunden (50.000 Billionstel Sekunden) – auf Objekte vor ihnen treffen. Die Kamera erfasst die Impulse, die zwischen Objekten aufprallen und von Objekten reflektiert werden.
Raskar sagt, dass die neue Kamera für neuartige medizinische Bildgebung verwendet werden könnte, um Licht im Körpergewebe zu verfolgen. Es könnte auch neuartige fotografische Manipulationen ermöglichen. In Experimenten hat die Kamera Bilder mit einer Größe von ungefähr 500 x 600 Pixeln aufgenommen.
Die schnellsten wissenschaftlichen Kameras auf dem Markt erfassen normalerweise Bilder mit Geschwindigkeiten im niedrigen Millionenbereich von Bildern pro Sekunde. Sie funktionieren ähnlich wie eine Consumer-Digitalkamera mit einem Lichtsensor, der das Licht des Objektivs in ein digitales Signal umwandelt, das auf der Festplatte gespeichert wird.
Die Media Lab-Forscher mussten einen anderen Weg einschlagen, sagt Andreas Velten , ein Mitglied des Forschungsteams. Die Reaktionszeit eines elektronischen Systems sei von Natur aus auf etwa 500 Pikosekunden beschränkt, sagt er, weil es bei solchen Designs zu lange dauert, bis elektronische Signale entlang der Drähte und durch die Chips wandern. [Unsere Verschlusszeit beträgt] knapp zwei Pikosekunden, weil wir Licht mit einer Streak-Kamera erkennen, wodurch das elektrische Problem umgangen wird.
Eine Streak-Kamera wird normalerweise eher zum Messen des Timings von Laserpulsen als für die Fotografie verwendet und benötigt keine Elektronik zum Aufzeichnen von Licht. In die Streak-Kamera einfallendes Licht fällt auf eine spezielle Elektrode – eine Photokathode –, die den Photonenstrom in einen passenden Elektronenstrom umwandelt. Dieser Elektronenstrahl trifft auf einen Bildschirm auf der Rückseite der Streak-Kamera, der mit Chemikalien bedeckt ist, die überall dort aufleuchten, wo der Strahl fällt. Der gleiche Mechanismus ist in einem herkömmlichen Fernsehgerät mit Kathodenstrahlröhre am Werk.
Da eine Streak-Kamera nur eine sehr schmale Linie einer Szene gleichzeitig betrachten kann, verwendet das MIT-System Spiegel, um eine vollständige Ansicht aufzubauen. Eine herkömmliche Digitalkamera nimmt die Bilder von der Rückseite der Streak-Kamera auf, und diese Bilder werden dann per Software in die endgültige Ausgabe kompiliert. Jedes von der Digitalkamera aufgenommene Bild zeichnet nur den winzigen Bruchteil eines Strahls auf, der für die Streak-Kamera sichtbar ist.
Ein Ergebnis dieses Designs ist, dass vom Team aufgenommene Videos die Abfolge der Ereignisse zeigen, während ein Laserpuls herumspringt, aber sie fangen nicht das Schicksal eines einzelnen Lichtpulses ein. Vielmehr erfassen sie eine Folge von Schnappschüssen aus den Aktionen vieler aufeinanderfolgender, identischer Lichtimpulse, dank der engen Synchronisation zwischen den Lichtimpulsen und der Streak-Kamera. Wir brauchen ein wiederholbares Ereignis, um ein Bild oder Video zu erstellen, sagt Velten.
Dies steht im Gegensatz zu der weithin als schnellste Kamera der Welt bekannt, einem System enthüllt im Jahr 2009 von einer Forschungsgruppe an der University of California, Los Angeles, die 6,1 Millionen Bilder pro Sekunde aufnimmt und eine Verschlusszeit von 163 Nanosekunden hat, verglichen mit den 1,7 Pikosekunden der MIT-Gruppe.
Da das MIT-System Ereignisse, die nicht in einem regelmäßigen Zyklus stattfinden, nicht abbilden kann, sind seine Einsatzmöglichkeiten begrenzt, aber Velten sagt, dass es immer noch von Vorteil ist, die normalerweise nicht beobachtbare Lichtbewegung zu verlangsamen.
Eine mögliche Anwendung ist eine neuartige medizinische Bildgebung, die Velten und Raskar Ultraschall mit Licht nennen. Dazu gehört das Abfeuern von Laserpulsen in Gewebe und die Nutzung der Fähigkeit der Kamera, Lichtbewegungen unter einer Oberfläche aufzuzeichnen, um Strukturen und andere Informationen zu erkennen, die mit normaler Beleuchtung und Kameras unsichtbar sind. Das Potenzial dafür sei in den Videos des Konzerns zu sehen, sagt Velten. Sie können sehen, wie Reflexionen auftreten und sich Licht unter der Oberfläche von Objekten bewegt.
Die MIT-Forschungsgruppe verwendete zuvor einen ähnlichen Aufbau, um Bilder um Ecken herum zu sammeln, indem sie einen Laser um eine Ecke lenkte und dann jedes zurückprallte Licht einfing.
Srinivasa Narasimhan , ein Professor an der Carnegie Mellon University, der Computerfotografie erforscht, bezeichnet das schnelle Bildgebungssystem des MIT als erstaunlich. Er sagt, Physiker und Chemiker könnten damit sehr kurze Ereignisse und Reaktionen abbilden oder unser Verständnis der Wechselwirkung von Licht mit Objekten verfeinern. Wir wissen schon lange, wie man Lichtausbreitung simuliert, sagt er. Jetzt können wir tatsächlich sehen, wie sich Licht in Zeitlupe ausbreitet und mit der Szene interagiert, um diese Dinge zu überprüfen. Sehen heißt glauben.
Da die MIT-Kamera genau sehen kann, wie Licht mit einer Szene interagiert, kann sie auch 3D-Informationen sammeln, die für neuartige fotografische Manipulationen verwendet werden könnten, sagt Velten. Wenn Sie über diese zusätzlichen Informationen zu einer Szene verfügen, können Sie beispielsweise die Beleuchtung eines Fotos ändern, nachdem Sie es aufgenommen haben, sagt er. Das Startup-Unternehmen Lytro hat kürzlich eine Kamera auf den Markt gebracht, die den Weg des Lichts aufzeichnet, um ähnliche Tricks auszuführen.
Die beeindruckende Geschwindigkeit des MIT-Systems geht derzeit mit etwas Masse einher: Das Kamera-Setup deckt eine tischgroße Bank ab, während der Laser den Raum darunter ausfüllt. Aber Velten sagt, der Laser sei über ein Jahrzehnt alt und könnte durch einen ersetzt werden, der ungefähr die Größe eines Desktop-Computers hat. Er fügt hinzu, dass Forschungen im Gange sind, die das gesamte System auf die Größe eines Laptops schrumpfen lassen.
Laut Velten konzentriert sich das Forschungsteam nun darauf, das System kompakter zu machen, spezifische Anwendungen zu identifizieren und die Größe der gesammelten Bilder zu erhöhen. Die weitere Erhöhung der Geschwindigkeit habe eine geringe Priorität, sagt er. Wir beschäftigen uns bereits mit Light Moving, also gibt es keinen Grund, schneller zu gehen.