I ricercatori del MIT hanno sviluppato una nuova ottica fotografica che cattura immagini in base ai tempi di riflessione della luce all'interno dell'ottica, invece dell'approccio tradizionale che si basa sulla disposizione dei componenti ottici. Questi nuovi principi, dicono i ricercatori, aprono le porte a nuove funzionalità per fotocamere sensibili al tempo o alla profondità, che non sono possibili con le ottiche fotografiche convenzionali.

Nello specifico, i ricercatori hanno progettato una nuova ottica per un sensore ultraveloce chiamato streak camera che risolve le immagini da impulsi di luce ultracorti. Le fotocamere Streak e altre fotocamere ultraveloci sono state utilizzate per realizzare un video da trilioni di fotogrammi al secondo, sfogliare libri chiusi, e fornire una mappa di profondità di una scena 3D, tra le altre applicazioni. Tali telecamere si sono affidate a ottiche convenzionali, che hanno diversi vincoli progettuali. Per esempio, un obiettivo con una data lunghezza focale, misurato in millimetri o centimetri, deve sedersi a una distanza da un sensore di immagine uguale o maggiore di quella lunghezza focale per catturare un'immagine. Questo significa fondamentalmente che le lenti devono essere molto lunghe.

In un articolo pubblicato in questa settimana Fotonica della natura , I ricercatori del MIT Media Lab descrivono una tecnica che fa riflettere un segnale luminoso avanti e indietro su specchi accuratamente posizionati all'interno del sistema di lenti. Un sensore di immagine veloce cattura un'immagine separata in ogni momento di riflessione. Il risultato è una sequenza di immagini, ciascuna corrispondente a un diverso punto nel tempo, e ad una distanza diversa dall'obiettivo. È possibile accedere a ciascuna immagine in un momento specifico. I ricercatori hanno coniato questa tecnica "ottica piegata nel tempo".

"Quando hai una fotocamera con sensore veloce, per risolvere la luce che passa attraverso l'ottica, puoi scambiare il tempo con lo spazio, "dice Barmak Heshmat, primo autore sulla carta. "Questo è il concetto fondamentale del ripiegamento del tempo. ... Guardi l'ottica al momento giusto, e quel tempo equivale a guardarlo alla giusta distanza. È quindi possibile organizzare l'ottica in nuovi modi che hanno funzionalità che prima non erano possibili."

Nel loro studio, i ricercatori dimostrano tre usi dell'ottica piegata nel tempo per fotocamere ultraveloci e altri dispositivi di imaging sensibili alla profondità. Queste telecamere, chiamate anche telecamere "time-of-flight", misurare il tempo impiegato da un impulso di luce per riflettere una scena e tornare a un sensore, per stimare la profondità della scena 3-D.

La nuova architettura ottica include una serie di specchi paralleli semiriflettenti che riducono, o "piega, " la lunghezza focale ogni volta che la luce si riflette tra gli specchi. Posizionando il set di specchi tra l'obiettivo e il sensore, i ricercatori hanno condensato la distanza della disposizione dell'ottica di un ordine di grandezza pur continuando a catturare un'immagine della scena.

I coautori del documento sono Matthew Tancik, uno studente laureato al MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory; Guy Satat, un dottorato di ricerca studente del Camera Culture Group del Media Lab; e Ramesh Raskar, professore associato di arti e scienze dei media e direttore del Camera Culture Group.

Piegare il percorso ottico nel tempo

Il sistema dei ricercatori consiste in un componente che proietta un impulso laser a femtosecondi (quadrillionesimo di secondo) in una scena per illuminare gli oggetti target. L'ottica fotografica tradizionale cambia la forma del segnale luminoso mentre viaggia attraverso gli occhiali curvi. Questo cambiamento di forma crea un'immagine sul sensore.

Ma, con l'ottica dei ricercatori, invece di andare a destra verso il sensore, il segnale prima rimbalza avanti e indietro tra specchi disposti con precisione per intrappolare e riflettere la luce. Ognuna di queste riflessioni è chiamata "andata e ritorno". Ad ogni viaggio di andata e ritorno, parte della luce viene catturata dal sensore programmato per l'immagine in un intervallo di tempo specifico, ad esempio un'istantanea di 1 nanosecondo ogni 30 nanosecondi.

Un'innovazione chiave è che ogni viaggio di andata e ritorno della luce sposta il punto focale, dove è posizionato un sensore per catturare un'immagine, più vicino all'obiettivo. Ciò consente di condensare drasticamente l'obiettivo. Supponiamo che una streak camera voglia catturare un'immagine con la lunga lunghezza focale di un obiettivo tradizionale. Con ottica piegata nel tempo, il primo viaggio di andata e ritorno avvicina il punto focale all'obiettivo di circa il doppio della lunghezza del set di specchi, e ogni successivo viaggio di andata e ritorno avvicina sempre di più il punto focale. A seconda del numero di viaggi di andata e ritorno, un sensore può quindi essere posizionato molto vicino all'obiettivo.

Posizionando il sensore in un punto focale preciso, determinato dal totale dei viaggi di andata e ritorno, la fotocamera può catturare un'immagine finale nitida, così come le diverse fasi del segnale luminoso, ciascuno codificato in un momento diverso, quando il segnale cambia forma per produrre l'immagine. (I primi scatti saranno sfocati, ma dopo diversi viaggi di andata e ritorno l'oggetto target verrà messo a fuoco.)

Nella loro carta, i ricercatori lo dimostrano immaginando un impulso di luce a femtosecondi attraverso una maschera incisa con "MIT, " impostare una distanza di 53 centimetri dall'apertura dell'obiettivo. Per catturare l'immagine, il tradizionale obiettivo con lunghezza focale di 20 centimetri dovrebbe trovarsi a circa 32 centimetri di distanza dal sensore. L'ottica piegata nel tempo, però, ha messo a fuoco l'immagine dopo cinque viaggi di andata e ritorno, con una distanza obiettivo-sensore di soli 3,1 centimetri.

Questo potrebbe essere utile, Heshmat dice, nella progettazione di obiettivi per telescopi più compatti che catturino, dire, segnali ultraveloci dallo spazio, o per la progettazione di lenti più piccole e leggere per i satelliti per l'immagine della superficie del suolo.

Multizoom e multicolor

I ricercatori hanno poi ripreso due modelli distanziati di circa 50 centimetri l'uno dall'altro, ma ciascuno all'interno della linea di vista della telecamera. Un motivo a "X" era a 55 centimetri dall'obiettivo, e un modello "II" era a 4 centimetri dall'obiettivo. Riorganizzando con precisione l'ottica, in parte, posizionando l'obiettivo tra i due specchi, hanno modellato la luce in modo tale che ogni viaggio di andata e ritorno creasse un nuovo ingrandimento in una singola acquisizione dell'immagine. In quel modo, è come se la fotocamera ingrandisse ad ogni viaggio di andata e ritorno. Quando hanno sparato il laser sulla scena, il risultato è stato due separati, immagini mirate, creato in uno scatto:il motivo a X catturato durante il primo viaggio di andata e ritorno, e il modello II catturato durante il secondo viaggio di andata e ritorno.

I ricercatori hanno quindi dimostrato una fotocamera multispettrale (o multicolore) ultraveloce. Hanno progettato due specchi riflettenti i colori e uno specchio a banda larga, uno sintonizzato per riflettere un colore, avvicinarsi all'obiettivo, e uno sintonizzato per riflettere un secondo colore, arretrata rispetto all'obiettivo. Hanno immaginato una maschera con una "A" e una "B, " con la A illuminava il secondo colore e la B illuminava il primo colore, entrambi per pochi decimi di picosecondo.

Quando la luce ha viaggiato nella fotocamera, lunghezze d'onda del primo colore immediatamente riflesse avanti e indietro nella prima cavità, e il tempo è stato cronometrato dal sensore. Lunghezze d'onda del secondo colore, però, passato attraverso la prima cavità, nel secondo, ritardando leggermente il loro tempo al sensore. Poiché i ricercatori sapevano quale lunghezza d'onda avrebbe colpito il sensore in quel momento, hanno quindi sovrapposto i rispettivi colori sull'immagine:la prima lunghezza d'onda era il primo colore, e il secondo era il secondo colore. Questo potrebbe essere utilizzato nelle fotocamere con rilevamento della profondità, che attualmente registrano solo infrarossi, dice Heshmat.

Una caratteristica fondamentale della carta, Heshmat dice, apre le porte a molti progetti di ottiche diverse modificando la spaziatura delle cavità, oppure utilizzando diversi tipi di cavità, sensori, e lenti. "Il messaggio principale è che quando hai una fotocamera veloce, o ha un sensore di profondità, non è necessario progettare l'ottica come hai fatto per le vecchie fotocamere. Puoi fare molto di più con le ottiche guardandole al momento giusto, " dice Heshmat.