Kamera koja snima 1 trilion slika (frejmova) u sekundi, prati kretanje fotona kroz prostor

Istraživači sa MIT-a (baš neko vreme nismo pisali o toj instituciji) su razvili novi sistem za dobavljanje vizuelnih podataka – trilion slika u sekundi (1 000 000 000 000 = 1012)! Treba imati na umu da je video ili film koji gledamo, u stvari, niz statičnih fotografija ili slika i to sa učestalošću od 24 do 30 sličica u sekundi. Dakle, novi sistem, sa tolikim brojem slika u sekundi, omogućava pomalo neverovatne stvari. Zahvaljujući novoj aparaturi, snimljen je mali segment svetlosti kako putuje kroz plastičnu flašu, odbija se na poklopcu na vrhu, da bi se, potom, vratio ka njenom dnu.

Doktor Andreas Velten, levo, i njegov kolega profesor Rameš Raskar sa eksperimentalnom postavkom koju su koristili da bi proizveli usporeni snimak odbijanja svetlosti kroz plastičnu bocu.

Postdoktorant Andreas Velten (Andreas Velten), član razvojnog tima pomenutog sistema, naziva ga „ultimativnim“ u domenu slow-motion-a (usporenog kretanja). „Sada, ne postoji i jedna stvar u svemiru koja je prebrza za ovu kameru.“ tvrdi on.

Ceo sistem se bazira na skoro razvijenoj tehnologiji koja se zove streak kamera, ali iskorišćena na pomalo neočekivani način. Otvor na samoj kameri je uzak usek. Čestice svetlosti – fotoni – ulaze u kameru kroz taj otvor i bivaju konvertovane u elektrone, koji prolaze kroz električno polje koje ih odbija. Pravac odbijanja je normalan (ortogonalan) na pravac po kome se prostire ulazni usek. Kako se električno polje menja vrlo brzo, ono više odbija fotone koji dolaze kasnije od onih koji dolaze ranije.

Slika koju kamera proizvede je, stoga, dvodimenzionalna, ali samo jedna od dimenzija (ona koja predstavlja smer i pravac useka) je prostorna. Druga dimenzija, zavisna od ugla odbijanja, je vreme. Dobijena slika predstavlja vreme dolaska fotona koji prolazi kroz jednodimenzionalno parče prostora.

Kamera je namenjena za eksperimente gde svetlost prolazi ili se emituje od strane hemijskih uzoraka. Kako su hemičari, uglavnom, zainteresovani za talasnu dužinu svetlost koju uzorak upije ili kako se emitovana svetlost menja tokom vremena, činjenica da kamera registruje samo jednu prostornu dimenziju je irelevantna.

To predstavlja ozbiljnu manu kod video kamere. Da bi proizveli super spori video, Velten i profesor Rameš Raskar (Ramesh Raskar) i profesor hemije Moungi Bavendi (Moungi Bawendi), moraju stalno iznova raditi isti eksperiment, a da pri svakom novoj iteraciji malo pomere ugao kamere. Na ovaj način, dobija se dvodimenzionalna slika koja se polako sastavlja iz mnoštva horizontalnih linija. (Ovo je sistem po kome se stvara slika na televizorima starije generacije)

Sinhronizovanje kamere i lasera, koji generiše svetlosni impuls, da bi se dobilo isto vreme ekspozicije, zahteva aparaturu sastavljenu od sofisticirane optičke opreme i vrlo fine mehaničke kontrole. Svetlosti je dovoljna samo nano sekunda (10-9s) da prođe kroz flašu, ali je zato potrebno oko sat vremena da se prikupe svi neophodni podaci koji čine konačni snimak. Zbog toga, Raskar ceo sistem zove „Najsporija najbrža kamera na svetu“.

Svetlost u pokretu: Kombinovanjem savremene optičke opreme i tehnike rekonstrukcije dobijamo prikaz prostiranja svetlosti, putem periodičnog uzorkovanja.

Matematički proračun

Posle jednog sata, istraživači imaju na hiljade setova podataka, gde svaki od njih sadrži jednodimenzionalni podatak o poziciji fotona nasuprot njegovom vremenu dolaska. Raskar, Velten i ostali u timu su razvili algoritam koji dobijene setova podataka (sirovi rezultati) pretvara  u dvodimenzionalne slike.

Sama kamera i laserski generator svetlosnih impulsa (oba uređaja spadaju u domen vrhunske tehnologije) imaju zajedničku vrednost od 250000 (25×104) američkih dolara. Njih je obezbedio Bavendi, pionir u istraživanju kvantnih tačaka: sitne poluprovodničke čestice koje emituju svetlost, a imaju veliki potencijal u realizaciji kvantnih kompjutera, video tehnologiji, proizvodnji solarnih ćelija i u mnoštvu drugih naučnih i tehnoloških oblasti.

Ovo je samo početak.

Kamera sa trilion slika u sekundi, koja je predstavljena na dva naučna skupa (Optical Society’s Computational Optical Sensing and Imaging i Siggraph) je samo najava za novi projekat koji sprovodi Camera Culture grupa. Sledeći u nizu poduhvata ove grupe je kamera koja vidi iza ugla. Ova kamera koristi odbijanje svetlosti da bi stvorila sliku. Primer bi bio, da se snima svetlosni odraz zida koji se nalazi nasuprot vratima. Metoda bi se oslanjala na merenju različitih vremena odbijanja fotona. Oba sistema snimanja koriste izuzetno kratke emisije lasera i streak kamere, ali ostala aparatura i algoritmi se moraju praviti za svaki poduhvat posebno.

Pošto je za snimanje izuzetno brzih događaja potrebno snimati više puta isti „kadar“, na ovaj način se ne može zabeležiti fenomen koji se ne može identično ponoviti. Praktična primena ovakvog sistema se onda svodi na situaciju kada je način odbija svetlosti, sam po sebi, korisna informacija. To bi značilo upotrebu ove metode prilikom ispitivanja fizičke strukture neorganskih i živih materijala (tkiva) – „kao ultra zvuk sa svetlošću“, pojednostavljuje Raskar.

Kao neko ko je dugo istraživač u domenu kamera, Raskar, takođe ističe potencijal u razvoju fleševa za kamere. „Konačni cilj (san) je, kako napraviti studijsko svetlo sa kompaktnim izvorom svetlosti? Kako ja mogu uzeti u ruke prenosivu kameru koja na sebi nosi maleni fleš, a da stvorim iluziju da prilikom snimka imam sve one pomoćne sprave kao što su kišobrani, odbijajuće table, fokusirana svetla itd?“ pita Raskar. „Sa našim ultra brzim snimanjem, mi možemo analizirati kako fotoni putuju kroz okolni prostor. Po sprovedenoj analizi možemo stvoriti novu fotografiju, stvarajući iluziju u kojoj su fotoni imali svoje izvorište negde drugde.“

Možemo videti progresivnu sintezu foto grafa. Kodiranjem (popisivanjem) boja u svim slikama i njihovim potonjim sumiranjem možemo stvoriti jedinstveni dugin talasni front.

Hm, manipulacija fotografije, kao da nemamo dovoljno alata za tako nešto.

„Ovo je vrlo interesantan rad. Vrlo sam impresioniran“, kaže Nils Ambramson (Nils Ambramson), profesor primenjene holografije pri Kraljevskom Švedskom institutu za tehnologiju. Tokom sedamdesetih godina prošlog veka, Abramson je uveo novu tehniku koju su nazvali light-in-flight holografija (svetlost u letu), koja je dovela do toga da je bilo moguće napraviti fotografije svetlosnih talasa pri učestanosti od 100 milijardi (1011) slika (frejmova) u sekundi.

Zaista, Velten kaže „Kako se foton odbija po sceni on gubi na svojoj koherenciji. Samo ne koherentni sistem detekcije, kao naš, može primetiti te fotone.“ A ti fotoni, Velten kaže, mogli bi dozvoliti istraživačima da „nauče više o osobinama materijala koje ispituju i šta se nalazi ispod njihove površine. Pošto vidimo te fotone, možemo, zahvaljujući njima, videti unutar objekata – na primer, za pregled tkiva, u medicinske svrhe ili u procesu identifikacije materijala.“

„Iznenađen sam da metod koji sam ja koristio, više nije popularan.“ Abramson dodaje. „Osećao sam se usamljeno. Vrlo mi je drago da je još neko uradio nešto slično. Verujem da postoji mnogo stvari koje se mogu otkriti kada sprovedete ovakvo istraživanje na samoj svetlosti.“

Nova saznanja iz talasne optike obećavaju – apsolutna zvučna izolacija je moguća

Tokom našeg svakodnevnog života, mnoge stvati prihvatamo, takave kakvim ih vidimo, bez mnogo razmišljanja. Jednostavno, to tako radi.

Bez obira na činjenicu, da se jednosmerna ogledala najviše mogu videti u policijskim serijama, skoro isti sistem se koristi i kod naočara za sunce. Kada se malo bolje razmisli, ako prostorije oko policijskog ogledala osvetlimo na određeni način (najčešće, da se uključe dovoljno jaka svetla na obe strane), ogledalo postaje propusno u oba smera. Zaključak se sam nameće: koristeći se jednostavnim trikom, mi pravimo iluziju nepropusnog ogledala, koje ima svoje praktične primene.

Sada, pokušajmo da zamislimo, da zaista možemo da napravimo površinu koje je na jednu stranu propusna za talase (svetlost i zvuk se šire kroz prostor u obliku talasa), na drugu sasvim solidna i nepropusna barijera. Za sada ne postoje materijali sa takvom osobinom, ali prema najnovijim studijama, postoji mogućnost da se napravi pravo jednosmerno ogledalo.

Stefano Lepri (Stefano Lepri) sa italijanskog istraživačkog centra i Đulio Kazati (Giulio Casati) sa univerziteta u gradu Insubria u Italiji i nacionalnog univerziteta Singapura su razradili teoretski model za materijale koji transmituju talase na asimetričan način. Njihov rad je objavljen u časopisu Physical Review Letters u izdanju od 18. aprila, ove godine.

Njihov predlog se bazira na korišćenju nelinearnih materijala, koji se različito ponašaju zavisno od toga kakav talas prolazi kroz njih. Još preciznije, reakcija zavisi od atributa talasa koji prolazi kroz njih. “Kada uvedete nelinearne interakcije i sile, mnoge intuitivne spoznaje o ponašanju talasa više ne važe.”, tvrdi Lepri za Physical Review Focus, časopis koji se bavi popularizacijom naučnih radova iz fizike. “Koriteći se nelinearnim interakcijama možemo da izađemo iz osnovnog zakona reciprociteta”, koji zahteva da svi talasi imaju isti tretman, bez obzira na smer njihovog dolaska.

Znači, postavljajući nelinearne materijale zajedno sa linearnim materijalima, koji su poređani na asimetričan način, talas bi mogao da prođe po jednom smeru, ali bi se potpuno odbio kada bi dolazio iz suprotnog smera. Na žalost, kako ističu sami istraživači, ovkava jednosmerna konstrukcija nije univerzalna – svaka kombinacija materijala bi bila dobra za određeni spektar talasnih amplituda. Praktično gledano, moguće je blokirati sve zvukove, ali nema te kombinacije koja bi vas odvojila od bilo kog zvuka u isto vreme.

Za sada, iznesena tvrđenja se baziraju na numerčkim simulacijama, bez pravih eksperimentalnih provera. Međutim, ako se pokaže da su te simulacije dobra aproksimacija realnih materijala, onda bi to “otvorilo nove mogućnosti u kontroli i optimizaciji prostiranja talasa i u dizajniranju uređaja za transformaciju zvučnih i svetlosnih talasa.”

Sami autori ističu ograničenost na određene opsege, ali ako je svaki od tih opsega dovoljno dobro prigušen, ili još bolje, ugušen, onda je sa razvojem tehnologije i dodatnim istraživanjem, realno očekivati, da će se pojaviti materijal, koji će se ponašati kao apsolutni izolator talasa po jednom smeru, a propusan po drugom. Još jednom, sve navedeno važi, samo ako je razvijeni matematički model dovoljno blizak osobinama realnih materijala, koji se mogu naći u prirodi ili na neki način jeftino proizvesti. U suprotnom… ostaće zapamćen kao dobar teoretski pokušaj.