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La nueva cámara captura la luz en movimiento
Hollywood tiene que recurrir a engaños para mostrar a los espectadores rayos láser que viajan por el aire. Eso se debe a que los rayos se mueven demasiado rápido para ser capturados en una película. Ahora, una cámara que registra fotogramas a una velocidad de 0,6 billones por segundo puede realmente capturar la trayectoria de rebote de un pulso láser.
Ver un video de un pulso láser moviéndose a través de una botella de Coca-Cola , o rebotando en un tomate .
El sistema fue desarrollado por investigadores liderados por Ramesh Raskar en el Media Lab del MIT. Actualmente limitada a una mesa dentro del laboratorio del grupo, la cámara puede registrar lo que sucede cuando pulsos muy cortos de luz láser, que duran solo 50 femtosegundos (50.000 billonésimas de segundo), golpean objetos frente a ellos. La cámara captura los pulsos que rebotan entre los objetos y se reflejan en ellos.
Raskar dice que la nueva cámara podría usarse para nuevos tipos de imágenes médicas, rastreando la luz dentro del tejido corporal. También podría permitir nuevos tipos de manipulación fotográfica. En experimentos, la cámara ha capturado fotogramas de aproximadamente 500 por 600 píxeles de tamaño.
Las cámaras científicas más rápidas del mercado suelen capturar imágenes a una velocidad de millones de fotogramas por segundo. Funcionan de manera similar a la forma en que funciona una cámara digital de consumo, con un sensor de luz que convierte la luz de la lente en una señal digital que se guarda en el disco.
Los investigadores de Media Lab tuvieron que adoptar un enfoque diferente, dice Andreas Velten , miembro del equipo de investigación. El tiempo de reacción de un sistema electrónico está inherentemente limitado a aproximadamente 500 picosegundos, dice, porque las señales electrónicas tardan demasiado en viajar a lo largo de los cables y a través de los chips en tales diseños. [Nuestra velocidad de obturación es] poco menos de dos picosegundos porque detectamos la luz con una cámara de rayos, que soluciona el problema eléctrico.
Se usa más comúnmente para medir la sincronización de los pulsos láser que para la fotografía, una cámara de racha no necesita ningún dispositivo electrónico para registrar la luz. La luz que ingresa a la cámara de rayos cae sobre un electrodo especializado, un fotocátodo, que convierte la corriente de fotones en una corriente de electrones coincidente. Ese haz de electrones golpea una pantalla en la parte posterior de la cámara de rayos que está cubierta con sustancias químicas que se iluminan donde cae el haz. El mismo mecanismo funciona en un televisor de tubo de rayos catódicos tradicional.
Debido a que una cámara de racha solo puede ver una línea muy estrecha de una escena a la vez, el sistema MIT usa espejos para crear una vista completa. Una cámara digital convencional captura las imágenes de la parte posterior de la cámara de rayas, y estas imágenes luego son compiladas por software en la salida final. Cada imagen capturada por la cámara digital registra solo una pequeña fracción del viaje de un rayo visible para la cámara de rayos.
Un resultado de este diseño es que los videos capturados por el equipo muestran la secuencia de eventos cuando un pulso láser rebota, pero no capturan el destino de un solo pulso de luz. Más bien, capturan una secuencia de instantáneas de las acciones de muchos pulsos de luz sucesivos e idénticos, gracias a la estrecha sincronización entre los pulsos de luz y la cámara de rayas. Necesitamos un evento que sea repetible para crear una imagen o un video, dice Velten.
Eso contrasta con lo que se conoce como la cámara más rápida del mundo, un sistema presentado en 2009 por un grupo de investigación de la Universidad de California, Los Ángeles, que captura 6,1 millones de fotogramas por segundo y tiene una velocidad de obturación de 163 nanosegundos, en comparación con los 1,7 picosegundos del grupo MIT.
Debido a que el sistema MIT no puede visualizar eventos que no suceden en un ciclo regular, existen límites para lo que se puede usar, pero Velten dice que todavía tiene valor ralentizar el movimiento de la luz, normalmente no observable.
Una posible aplicación es un nuevo tipo de imágenes médicas que Velten y Raskar llaman ultrasonido con luz. Eso implicaría disparar pulsos de láser en el tejido y usar la capacidad de la cámara para registrar los movimientos de la luz debajo de una superficie para aprender sobre estructuras y otra información invisible usando iluminación y cámaras normales. El potencial para eso se puede ver en los videos del grupo, dice Velten. Puede ver reflejos que ocurren y luz moviéndose debajo de la superficie de los objetos.
El grupo de investigación del MIT utilizó anteriormente una configuración similar para recopilar imágenes de las esquinas, haciendo rebotar un láser en una esquina y luego capturando cualquier luz que rebotara.
Srinivasa Narasimhan , profesor de la Universidad Carnegie Mellon que investiga fotografía computacional, dice que el sistema de imágenes rápidas del MIT es asombroso. Él dice que los físicos y químicos podrían usarlo para obtener imágenes de eventos y reacciones muy breves, o para refinar nuestra comprensión de cómo la luz interactúa con los objetos. Sabemos desde hace mucho tiempo cómo simular la propagación de la luz, dice. Ahora podemos ver la luz propagarse e interactuar con la escena en cámara lenta para verificar estas cosas. Ver es creer.
Debido a que la cámara del MIT puede ver exactamente cómo la luz interactúa con una escena, también puede recopilar información en 3-D que podría usarse para realizar nuevos tipos de manipulación fotográfica, dice Velten. Cuando tienes esa información adicional sobre una escena, puedes hacer cosas como cambiar la iluminación de una foto después de haberla tomado, dice. La empresa de nueva creación Lytro lanzó recientemente una cámara que registra el camino que toma la luz para realizar trucos similares.
La impresionante velocidad del sistema MIT actualmente viene acompañada de algo de volumen: la configuración de la cámara cubre un banco del tamaño de una mesa de comedor, con el láser llenando el espacio debajo. Pero Velten dice que el láser tiene más de una década y podría ser reemplazado por uno aproximadamente del tamaño de una computadora de escritorio. Agrega que se están realizando investigaciones que reducirán todo el sistema al tamaño de una computadora portátil.
Velten dice que el equipo de investigación ahora se está enfocando en hacer que el sistema sea más compacto, identificando aplicaciones específicas y aumentando el tamaño de las imágenes que recopila. Aumentar aún más la velocidad es una prioridad baja, dice. Ya estamos viendo la luz en movimiento, por lo que no hay razón para ir más rápido.