Os pesquisadores do MIT desenvolveram novas óticas fotográficas que capturam imagens com base no tempo de reflexão da luz dentro da ótica, em vez da abordagem tradicional que depende do arranjo de componentes ópticos. Esses novos princípios, os pesquisadores dizem, abre portas para novos recursos para câmeras sensíveis ao tempo ou profundidade, que não são possíveis com a ótica fotográfica convencional.

Especificamente, os pesquisadores projetaram uma nova ótica para um sensor ultrarrápido chamado câmera streak, que resolve imagens de pulsos ultracurtos de luz. Câmeras Streak e outras câmeras ultrarrápidas foram usadas para fazer um vídeo de um trilhão de quadros por segundo, digitalize os livros fechados, e fornecer um mapa de profundidade de uma cena 3-D, entre outras aplicações. Essas câmeras contam com a ótica convencional, que têm várias restrições de design. Por exemplo, uma lente com uma determinada distância focal, medido em milímetros ou centímetros, tem que ficar a uma distância de um sensor de imagem igual ou maior do que o comprimento focal para capturar uma imagem. Basicamente, isso significa que as lentes devem ser muito longas.

Em artigo publicado na edição desta semana Nature Photonics , Os pesquisadores do MIT Media Lab descrevem uma técnica que faz um sinal de luz refletir para frente e para trás em espelhos cuidadosamente posicionados dentro do sistema de lentes. Um sensor de imagem rápida captura uma imagem separada em cada momento de reflexão. O resultado é uma sequência de imagens - cada uma correspondendo a um ponto diferente no tempo, e a uma distância diferente da lente. Cada imagem pode ser acessada em seu horário específico. Os pesquisadores cunharam essa técnica "ótica dobrada no tempo".

"Quando você tem uma câmera de sensor rápido, para resolver a passagem da luz pela ótica, você pode trocar tempo por espaço, "diz Barmak Heshmat, primeiro autor do artigo. "Esse é o conceito central de dobra no tempo. ... Você olha para a ótica no momento certo, e esse tempo é igual a olhar para ele na distância certa. Você pode então organizar a ótica de novas maneiras, com recursos que não eram possíveis antes. "

Em seu estudo, os pesquisadores demonstram três usos para ótica dobrada no tempo para câmeras ultrarrápidas e outros dispositivos de imagem sensíveis à profundidade. Essas câmeras, também chamadas de câmeras de "tempo de voo", medir o tempo que leva para um pulso de luz refletir em uma cena e retornar a um sensor, para estimar a profundidade da cena 3-D.

A nova arquitetura óptica inclui um conjunto de espelhos paralelos semirreflexivos que reduzem, ou "dobrar, "a distância focal cada vez que a luz reflete entre os espelhos. Ao colocar o conjunto de espelhos entre a lente e o sensor, os pesquisadores condensaram a distância do arranjo óptico em uma ordem de magnitude enquanto ainda capturavam uma imagem da cena.

Os co-autores do artigo são Matthew Tancik, um estudante de pós-graduação no Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT; Guy Satat, um Ph.D. aluno do Grupo Camera Culture do Media Lab; e Ramesh Raskar, professor associado de artes e ciências da mídia e diretor do Camera Culture Group.

Dobrando o caminho óptico no tempo

O sistema dos pesquisadores consiste em um componente que projeta um pulso de laser de femtosegundo (quatrilionésimo de segundo) em uma cena para iluminar os objetos-alvo. A ótica fotográfica tradicional muda a forma do sinal de luz conforme ele viaja através dos vidros curvos. Esta mudança de forma cria uma imagem no sensor.

Mas, com a ótica dos pesquisadores, em vez de ir direto para o sensor, o sinal primeiro salta para frente e para trás entre espelhos precisamente dispostos para capturar e refletir a luz. Cada uma dessas reflexões é chamada de "ida e volta". Em cada viagem de ida e volta, alguma luz é capturada pelo sensor programado para a imagem em um intervalo de tempo específico, por exemplo, um instantâneo de 1 nanossegundo a cada 30 nanossegundos.

Uma inovação importante é que cada viagem de ida e volta da luz move o ponto focal - onde um sensor é posicionado para capturar uma imagem - mais próximo da lente. Isso permite que a lente seja drasticamente condensada. Digamos que uma câmera com streak queira capturar uma imagem com a distância focal longa de uma lente tradicional. Com ótica dobrada no tempo, a primeira viagem de ida e volta puxa o ponto focal cerca do dobro do comprimento do conjunto de espelhos para mais perto da lente, e cada viagem de ida e volta subsequente traz o ponto focal cada vez mais perto. Dependendo do número de viagens de ida e volta, um sensor pode então ser colocado muito perto da lente.

Ao colocar o sensor em um ponto focal preciso, determinado pelo total de viagens de ida e volta, a câmera pode capturar uma imagem final nítida, bem como diferentes estágios do sinal de luz, cada um codificado em um momento diferente, conforme o sinal muda de forma para produzir a imagem. (As primeiras fotos ficarão desfocadas, mas depois de várias viagens de ida e volta, o objeto alvo entrará em foco.)

Em seu jornal, os pesquisadores demonstram isso por meio de imagens de um pulso de luz de femtossegundo através de uma máscara gravada com "MIT, "definido a 53 centímetros da abertura da lente. Para capturar a imagem, a lente de distância focal tradicional de 20 centímetros teria que ficar a cerca de 32 centímetros do sensor. A ótica dobrada no tempo, Contudo, colocou a imagem em foco após cinco viagens de ida e volta, com apenas uma distância de sensor de lente de 3,1 centímetros.

Isso pode ser útil, Heshmat diz, no projeto de lentes telescópicas mais compactas que capturam, dizer, sinais ultrarrápidos vindos do espaço, ou para projetar lentes menores e mais leves para satélites para obter imagens da superfície do solo.

Multizoom e multicolor

Em seguida, os pesquisadores fizeram imagens de dois padrões espaçados cerca de 50 centímetros um do outro, mas cada um dentro da linha de visão da câmera. Um padrão "X" estava a 55 centímetros da lente, e um padrão "II" estava a 4 centímetros da lente. Reorganizando precisamente a ótica - em parte, colocando a lente entre os dois espelhos - eles moldaram a luz de forma que cada viagem de ida e volta criava uma nova ampliação em uma única aquisição de imagem. Dessa forma, é como se a câmera ampliasse a cada viagem de ida e volta. Quando eles dispararam o laser na cena, o resultado foi dois separados, imagens focadas, criado em uma foto - o padrão X capturado na primeira viagem de ida e volta, e o padrão II capturado na segunda viagem de ida e volta.

Os pesquisadores então demonstraram uma câmera multiespectral (ou multicolor) ultrarrápida. Eles projetaram dois espelhos refletores de cor e um espelho de banda larga - um ajustado para refletir uma cor, definido mais perto da lente, e um ajustado para refletir uma segunda cor, colocado mais longe da lente. Eles criaram imagens de uma máscara com um "A" e um "B, "com o A iluminando a segunda cor e o B iluminando a primeira cor, ambos por alguns décimos de picossegundo.

Quando a luz viajou para a câmera, comprimentos de onda da primeira cor imediatamente refletidos para frente e para trás na primeira cavidade, e a hora foi cronometrada pelo sensor. Comprimentos de onda da segunda cor, Contudo, passou pela primeira cavidade, no segundo, atrasando ligeiramente seu tempo para o sensor. Como os pesquisadores sabiam qual comprimento de onda atingiria o sensor em que momento, eles então sobrepuseram as respectivas cores na imagem - o primeiro comprimento de onda foi a primeira cor, e a segunda era a segunda cor. Isso pode ser usado em câmeras de detecção de profundidade, que atualmente registra apenas infravermelho, Heshmat diz.

Uma característica fundamental do jornal, Heshmat diz, é que abre portas para muitos projetos ópticos diferentes ajustando o espaçamento da cavidade, ou usando diferentes tipos de cavidades, sensores, e lentes. "A mensagem central é que, quando você tem uma câmera rápida, ou tem um sensor de profundidade, você não precisa projetar a ótica da mesma forma que fazia com as câmeras antigas. Você pode fazer muito mais com a ótica, olhando para eles no momento certo, "Heshmat diz.