La nouvelle caméra capture la lumière en mouvement

Hollywood doit recourir à la ruse pour montrer aux cinéphiles des faisceaux laser voyageant dans les airs. C'est parce que les faisceaux se déplacent trop vite pour être capturés sur film. Désormais, une caméra qui enregistre des images à une fréquence de 0,6 billion de dollars par seconde peut vraiment capturer le chemin de rebond d'une impulsion laser.

Voir une vidéo d'une impulsion laser se déplacer dans une bouteille de Coca , ou rebondir sur une tomate .

Le système a été développé par des chercheurs dirigés par Ramesh Raskar au Media Lab du MIT. Actuellement limitée à une table à l'intérieur du laboratoire du groupe, la caméra peut enregistrer ce qui se passe lorsque de très courtes impulsions de lumière laser - d'une durée de seulement 50 femtosecondes (50 000 billions de seconde) frappent des objets devant eux. La caméra capture les impulsions qui rebondissent entre les objets et se reflètent sur eux.

Raskar dit que la nouvelle caméra pourrait être utilisée pour de nouveaux types d'imagerie médicale, en suivant la lumière à l'intérieur des tissus corporels. Cela pourrait également permettre de nouveaux types de manipulation photographique. Dans les expériences, la caméra a capturé des images d'environ 500 par 600 pixels.

Les caméras scientifiques les plus rapides du marché capturent généralement des images à des vitesses de quelques millions d'images par seconde. Ils fonctionnent de la même manière qu'un appareil photo numérique grand public, avec un capteur de lumière qui convertit la lumière de l'objectif en un signal numérique qui est enregistré sur le disque.

Les chercheurs du Media Lab ont dû adopter une approche différente, selon Andreas Velten , membre de l'équipe de recherche. Le temps de réaction d'un système électronique est intrinsèquement limité à environ 500 picosecondes, dit-il, car il faut trop de temps aux signaux électroniques pour voyager le long des fils et à travers les puces dans de telles conceptions. [Notre vitesse d'obturation est] d'un peu moins de deux picosecondes car nous détectons la lumière avec une caméra à balayage, ce qui contourne le problème électrique.

Plus généralement utilisée pour mesurer la synchronisation des impulsions laser que pour la photographie, une caméra à balayage n'a pas besoin d'électronique pour enregistrer la lumière. La lumière entrant dans la caméra à balayage tombe sur une électrode spécialisée, une photocathode, qui convertit le flux de photons en un flux d'électrons correspondant. Ce faisceau d'électrons frappe un écran à l'arrière de la caméra à balayage qui est recouvert de produits chimiques qui s'allument partout où le faisceau tombe. Le même mécanisme est à l'œuvre dans un téléviseur traditionnel à tube cathodique.

Parce qu'une caméra à balayage ne peut voir qu'une ligne très étroite d'une scène à la fois, le système MIT utilise des miroirs pour créer une vue complète. Un appareil photo numérique conventionnel capture les images à l'arrière de la caméra à balayage, et ces images sont ensuite compilées par un logiciel dans la sortie finale. Chaque image capturée par l'appareil photo numérique n'enregistre que l'infime fraction du trajet d'un faisceau visible par la caméra à balayage.

L'un des résultats de cette conception est que les vidéos capturées par l'équipe montrent la séquence des événements alors qu'une impulsion laser rebondit, mais elles ne capturent pas le destin d'une seule impulsion de lumière. Au contraire, ils capturent une séquence d'instantanés à partir des actions de nombreuses impulsions lumineuses successives et identiques, grâce à une synchronisation étroite entre les impulsions lumineuses et la caméra à balayage. Nous avons besoin d'un événement reproductible pour créer une image ou une vidéo, explique Velten.

Cela contraste avec ce qui est largement connu comme la caméra la plus rapide du monde, un système dévoilé en 2009 par un groupe de recherche de l'Université de Californie à Los Angeles, qui capture 6,1 millions d'images par seconde et a une vitesse d'obturation de 163 nanosecondes, par rapport aux 1,7 picosecondes du groupe MIT.

Parce que le système MIT ne peut pas imager des événements qui ne se produisent pas selon un cycle régulier, il y a des limites à ce qu'il peut être utilisé, mais Velten dit qu'il est toujours utile de ralentir le mouvement généralement inobservable de la lumière.

Une application possible est un nouveau type d'imagerie médicale que Velten et Raskar appellent ultrasons avec lumière. Cela impliquerait de tirer des impulsions laser dans les tissus et d'utiliser la capacité de la caméra à enregistrer les mouvements de la lumière sous une surface pour en savoir plus sur les structures et autres informations invisibles à l'aide d'un éclairage normal et de caméras. Le potentiel de cela peut être vu dans les vidéos du groupe, dit Velten. Vous pouvez voir les reflets se produire et la lumière se déplacer sous la surface des objets.

Le groupe de recherche du MIT utilisait auparavant une configuration similaire pour collecter des images dans les coins, en faisant rebondir un laser autour d'un coin, puis en capturant toute lumière qui rebondissait.

Srinivasa Narasimhan , un professeur de l'Université Carnegie Mellon qui étudie la photographie informatique, qualifie le système d'imagerie rapide du MIT d'étonnant. Il dit que les physiciens et les chimistes pourraient l'utiliser pour imager des événements et des réactions très brefs, ou pour affiner notre compréhension de la façon dont la lumière interagit avec les objets. Nous savons depuis longtemps comment simuler la propagation de la lumière, dit-il. Maintenant, nous pouvons réellement voir la lumière se propager et interagir avec la scène au ralenti pour vérifier ces choses. Voir c'est croire.

Parce que la caméra du MIT peut voir exactement comment la lumière interagit avec une scène, elle est également capable de collecter des informations en 3D qui pourraient être utilisées pour effectuer de nouveaux types de manipulation photographique, explique Velten. Lorsque vous avez ces informations supplémentaires sur une scène, vous pouvez faire des choses comme changer l'éclairage d'une photo après l'avoir prise, dit-il. La start-up Lytro a récemment lancé une caméra qui enregistre le chemin parcouru par la lumière afin d'effectuer des tours similaires.

La vitesse impressionnante du système MIT s'accompagne actuellement d'un certain volume : la configuration de la caméra couvre un banc de la taille d'une table à manger, le laser remplissant l'espace en dessous. Mais Velten dit que le laser a plus de dix ans et qu'il pourrait être remplacé par un laser à peu près de la taille d'un ordinateur de bureau. Il ajoute que des recherches sont en cours pour réduire l'ensemble du système à la taille d'un ordinateur portable.

Velten indique que l'équipe de recherche se concentre maintenant sur la réduction de la taille du système, l'identification d'applications spécifiques et l'augmentation de la taille des images qu'il collecte. Augmenter encore la vitesse n'est pas une priorité, dit-il. Nous envisageons déjà le déplacement de la lumière, il n'y a donc aucune raison d'aller plus vite.

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