Snemanje pri bilijonu sličic na sekundo

Ramesh Raskar predstavi femto-fotografijo, nov in tako hiter način snemanja, da svet prikaže pri bilijonu sličic na sekundo, ter tako podroben, da prikaže svetlobo v gibanju. S to tehnologijo bo morda nekoč mogoče snemati “okrog vogala” ali gledati v telo brez rentgenskih žarkov.

Doc Edgerton je v nas vzbudil
čudenje in radovednost

s to sliko izstrelka,
ki prodira skozi jabolko

pri osvetlitvi milijoninke sekunde.

50 let kasneje smo lahko
milijonkrat hitrejši

in sveta ne vidimo le pri milijonu

ali milijardi,

temveč pri bilijonu sličic na sekundo.

Predstavljam vam novo vrsto fotografije,

femto-fotografijo,

ki je tako hitra tehnika snemanja,

da lahko ustvari počasne posnetke
gibanja svetlobe.

Izdelamo lahko kamere,

ki lahko pogledajo okrog vogala,

izven zorne linije

in brez rentgenskih žarkov vidijo
v notranjost telesa

ter izrazu kamera dajejo nov pomen.

Če vzamem lasersko kazalko in jo vključim

za bilijoninko sekunde,

kar je nekaj femtosekund,

ustvarim paket fotonov,

ki je širok zgolj milimeter.

Ta paket fotonov oziroma izstrelek

bo potoval s svetlobno hitrostjo,

milijonkrat hitreje kot navaden izstrelek.

Če ta izstrelek oziroma paket fotonov

izstrelim v plastenko –

kako se bodo fotoni razpršili v plastenki?

Kako je videti svetloba
v počasnem posnetku?

Celoten dogodek – (Aplavz)

(Aplavz)

Torej, celoten dogodek

se odvije v manj kot nanosekundi,

kar je čas, ki ga svetloba
potrebuje za to pot,

vendar je posnetek upočasnjen
z večkratnikom 10 milijard,

da lahko vidite svetlobo v gibanju.

Coca-Cola ni sponzor teh raziskav. (Smeh)

Na tem posnetku se veliko dogaja,

zato bom opisal korake in vam povedal, za kaj gre.

Utrip svetlobe, naš izstrelek,
vstopi v plastenko

kot paket fotonov,
ki pričnejo svojo pot skozi

in ki se začnejo v notranjosti sipati.

Nekaj svetlobe uide ven in gre na mizo,

zato opazite to valovanje.

Kar nekaj fotonov končno doseže pokrovček

in jih tam raznese v različne smeri.

Vidite lahko zračni mehurček

in kako se v njem odbija.

Medtem valovanje potuje po mizi,

zaradi odboja na vrhu

pa se na dnu plastenke po nekaj sličicah

odboji osredotočijo.

Če bi vzeli navaden izstrelek,

ga spustili čez enako razdaljo
in posnetek upočasnili

prav tako s faktorjem 10 milijard
– ali veste,

kako dolgo bi sedeli tu,
da bi si ga ogledali?

En dan, en teden? Trajalo bi celo leto.

To bi bil zelo dolgočasen posnetek (Smeh)

počasnega, navadnega izstrelka v gibanju.

Kaj pa fotografija tihožitja?

Spet lahko vidite valovanje,
ki preplavi mizo,

paradižnik in steno v ozadju.

Kot bi v vodo vrgli kamen.

Narava na tak način naslika fotografijo,

eno femto sličico za drugo,

a naše oko vidi
celovito sestavljeno sliko.

Če še enkrat pogledate paradižnik,

boste videli, da potem,
ko ga preplavi svetloba,

še naprej sije. Ne zatemni se.

Zakaj? Paradižnik je dejansko zrel

in svetloba se znotraj njega odbija,

ven pa pride po nekaj
bilijoninkah sekunde.

Ko boste v prihodnosti to femto-kamero

imeli v svojem mobilnem telefonu,

boste lahko v trgovini

preverjali zrelost sadežev
ne da bi se jih dotaknili.

In kako smo z ekipo na MIT
izdelali to kamero?

Fotograf ve,

da pri kratki osvetlitvi dobimo
le malo svetlobe,

mi pa snemamo
pri milijardokrat večji hitrosti

kot je najkrajša osvetlitev,

tako da dobimo komaj kaj svetlobe.

Naredimo tako, da pošljemo izstrelke,

te pakete fotonov, milijonkrat

in jih posnamemo znova in znova,
jih domiselno uskladimo

in potem iz gigabajtov podatkov,

ki jih računsko stkemo skupaj,

ustvarimo te femto-posnetke.

Surove podatke zberemo

in jih obdelamo na zanimive načine.

Superman lahko poleti.

Nekateri drugi junaki
lahko postanejo nevidni,

morda pa bi kak drug super junak lahko

gledal okrog vogalov?

Zamisel je v tem, da posvetimo na vrata.

Svetloba se bo odbila v sobo,

nekaj se je bo odbilo nazaj na vrata,

in potem nazaj h kameri,

tako da bi lahko izkoristili
te večkratne odboje.

To ni znanstvena fantastika,
to smo res naredili.

Na levi vidite femto-kamero.

Za steno je skrita lutka,

z vrati pa bomo odbili svetlobo.

Ko je bil naš članek objavljen

v reviji Nature Communications,

je nanj opozorila stran Nature.com,

kjer so izdelali naslednjo animacijo.

(Glasba)

Izstrelili bomo izstrelke svetlobe,

ki se bodo zadeli ob to steno,

in ker gre za pakete fotonov,

se bodo ti razpršili v vse smeri,

nekaj jih bo doseglo našo skrito lutko,

ki bo spet razpršila svetlobo,

in potem bodo vrata odbila

nekaj te razpršene svetlobe,

majcen del fotonov pa se bo dejansko

vrnil k kameri, vendar – še posebej zanimivo –

bodo prispeli v različnih časovnih intervalih.

(Glasba)

Ker je naša femto-kamera tako hitra,

ima nekaj edinstvenih sposobnosti.

Ima izredno dobro časovno ločljivost

in svet lahko vidi pri hitrosti svetlobe.

Poznamo razdaljo do vrat

in do skritih predmetov,

ne vemo pa, katera točka ustreza

kateri razdalji.

(Glasba)

Ko posvetimo z enim laserjem,
lahko naredimo en surov posnetek,

ki ni videti prav zgovoren.

Ampak naredimo več takih posnetkov,

na ducate, in jih združimo

ter analiziramo večkratne odboje svetlobe,

iz tega pa – ali lahko vidimo
skriti predmet?

Ga lahko vidimo v treh razsežnostih?

Takole smo ga rekonstruirali. (Glasba)

(Glasba)

(Glasba) (Aplavz)

Še dolga je pot, preden bomo lahko šli

iz laboratorija v dejansko okolje,
a v prihodnosti

bi lahko izdelali avte,
ki bi se izogibali trkom

s predmeti izza ovinka,

in v nevarnih okoliščinah
bi lahko iskali preživele,

s tem, ko bi opazovali svetlobo,
odbito prek odprtih oken,

lahko pa bi izdelali endoskope,
ki bi lahko

gledali globoko v telo okrog zapor,

ali kardioskope.

Seveda bi bilo to zaradi tkiv in krvi

velik izziv, tako da je to poziv

znanstvenikom, naj začnejo
razmišljati o femtofotografiji

kot novem načinu snemanja, ki bo rešitev

za naslednjo generacijo težav
pri zdravstvenih posnetkih.

Enako kot Doc Edgerton,
ki je bil tudi znanstvenik,

gledam na znanost ultra-hitre fotografije
kot na umetnost

in sem spoznal,
da vsi ti gigabajti podatkov,

ki jih vsakič zberemo,

niso le znanstveni posnetki,
ampak lahko izdelamo

novo vrsto računske fotografije

s posnetki v časovnih intervalih
in z barvnim označevanjem

ter z njimi pogledamo valovanje.
Ne pozabite,

da je časovna razlika med vsakim valom le

nekaj bilijonink sekunde.

Pri tem pa se dogaja še nekaj čudnega.

Če pogledate valove pod pokrovčkom,

vidite, da se oddaljujejo.

Morali pa bi se približevati.

Kaj se dogaja?

Zato, ker snemamo

s skoraj svetlobno hitrostjo,

dobimo nenavadne učinke –

Einstein bi najbrž z veseljem
videl to sliko.

Zaporedje, po katerem se odvijajo dogodki,

so v kameri
v navidezno obrnjenem zaporedju,

ko pa prostor in čas ustrezno upognemo,

lahko popačenje popravimo.

Za vse – fotografijo izza vogala,

zdravstvene posnetke naslednje generacije,

izdelavo novih upodobitev –

smo od odkritja naprej nudili
odprto-kodni dostop

do vseh podatkov
na našem spletnem mestu, in upamo,

da bodo domači mojstri,
ustvarjalci in raziskovalci

vsem pokazali, naj se nehamo gnati za

megapiksli v kamerah (Smeh)

in naj se obrnemo
k naslednji razsežnosti posnetkov.

Nastopil je čas. (Aplavz)

(Aplavz)