MIT-onderzoekers hebben nieuwe fotografie-optieken ontwikkeld die beelden vastleggen op basis van de timing van reflecterend licht in de optica, in plaats van de traditionele benadering die berust op de opstelling van optische componenten. Deze nieuwe principes, zeggen de onderzoekers, deuren openen naar nieuwe mogelijkheden voor tijd- of dieptegevoelige camera's, die niet mogelijk zijn met conventionele fotografie-optiek.

specifiek, de onderzoekers ontwierpen nieuwe optica voor een ultrasnelle sensor, een streak-camera genaamd, die beelden oplost van ultrakorte lichtpulsen. Streakcamera's en andere ultrasnelle camera's zijn gebruikt om een ​​video van een biljoen frames per seconde te maken, door gesloten boeken bladeren, en bieden dieptekaart van een 3D-scène, onder andere toepassingen. Dergelijke camera's vertrouwden op conventionele optica, die verschillende ontwerpbeperkingen hebben. Bijvoorbeeld, een lens met een bepaalde brandpuntsafstand, gemeten in millimeters of centimeters, moet op een afstand van een beeldsensor zitten die gelijk is aan of groter is dan die brandpuntsafstand om een ​​beeld vast te leggen. Dit betekent in feite dat de lenzen erg lang moeten zijn.

In een artikel dat deze week is gepubliceerd Natuurfotonica , Onderzoekers van het MIT Media Lab beschrijven een techniek die een lichtsignaal heen en weer laat weerkaatsen op zorgvuldig geplaatste spiegels in het lenssysteem. Een snelle beeldsensor legt bij elke reflectietijd een apart beeld vast. Het resultaat is een opeenvolging van beelden - elk corresponderend met een ander tijdstip, en op een andere afstand van de lens. Elke afbeelding kan op een specifiek tijdstip worden geopend. De onderzoekers hebben deze techniek "time-folded optics" bedacht.

"Als je een snelle sensorcamera hebt, om licht op te lossen dat door optica gaat, je kunt tijd ruilen voor ruimte, " zegt Barmak Heshmat, eerste auteur op papier. "Dat is het kernconcept van tijdvouwen. ... Je kijkt op het juiste moment naar de optiek, en die tijd is gelijk aan ernaar kijken op de juiste afstand. Je kunt dan optica op nieuwe manieren indelen die mogelijkheden hebben die voorheen niet mogelijk waren."

In hun studie hebben de onderzoekers demonstreren drie toepassingen voor tijdgevouwen optica voor ultrasnelle camera's en andere dieptegevoelige beeldapparatuur. Deze camera's, ook wel "time-of-flight" camera's genoemd, meet de tijd die een lichtpuls nodig heeft om van een scène te reflecteren en terug te keren naar een sensor, om de diepte van de 3D-scène te schatten.

De nieuwe optica-architectuur omvat een reeks halfreflecterende parallelle spiegels die de of "vouwen, " de brandpuntsafstand telkens wanneer het licht tussen de spiegels weerkaatst. Door de set spiegels tussen de lens en de sensor te plaatsen, de onderzoekers verkortten de afstand van de optica-rangschikking met een orde van grootte terwijl ze nog steeds een beeld van de scène vastlegden.

Co-auteurs van het papier zijn Matthew Tancik, een afgestudeerde student in het MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory; Guy Satat, een doctoraat student in de Camera Culture Group van het Media Lab; en Ramesh Raskar, een universitair hoofddocent mediakunsten en -wetenschappen en directeur van de Camera Culture Group.

Het optische pad in de tijd vouwen

Het systeem van de onderzoekers bestaat uit een onderdeel dat een femtoseconde (vierduizendste van een seconde) laserpuls in een scène projecteert om doelobjecten te verlichten. Traditionele fotografie-optiek verandert de vorm van het lichtsignaal terwijl het door de gebogen bril gaat. Door deze vormverandering ontstaat er een beeld op de sensor.

Maar, met de optiek van de onderzoekers, in plaats van direct naar de sensor te gaan, het signaal kaatst eerst heen en weer tussen spiegels die precies zijn gerangschikt om licht op te vangen en te reflecteren. Elk van deze reflecties wordt een 'rondreis' genoemd. Bij elke rondreis, een deel van het licht wordt opgevangen door de sensor die is geprogrammeerd om met een bepaald tijdsinterval een afbeelding te maken, bijvoorbeeld elke 30 nanoseconden een momentopname van 1 nanoseconde.

Een belangrijke innovatie is dat bij elke rondgang van het licht het brandpunt - waar een sensor is geplaatst om een ​​beeld vast te leggen - dichter bij de lens komt. Hierdoor kan de lens drastisch worden gecondenseerd. Stel dat een streak-camera een beeld wil vastleggen met de lange brandpuntsafstand van een traditionele lens. Met tijdgevouwen optiek, de eerste rondreis trekt het brandpunt ongeveer het dubbele van de lengte van de set spiegels dichter bij de lens, en elke volgende rondreis brengt het brandpunt steeds dichterbij. Afhankelijk van het aantal retourvluchten, een sensor kan dan heel dicht bij de lens worden geplaatst.

Door de sensor op een nauwkeurig brandpunt te plaatsen, bepaald door de totale rondreizen, de camera kan een scherp eindbeeld vastleggen, evenals verschillende stadia van het lichtsignaal, elk op een ander tijdstip gecodeerd, als het signaal van vorm verandert om het beeld te produceren. (De eerste paar opnamen zullen wazig zijn, maar na verschillende rondreizen zal het doelobject in focus komen.)

In hun krant de onderzoekers demonstreren dit door een femtoseconde lichtpuls af te beelden door een masker gegraveerd met "MIT, " plaats op 53 centimeter afstand van de lensopening. Om het beeld vast te leggen, de traditionele lens met een brandpuntsafstand van 20 centimeter zou ongeveer 32 centimeter van de sensor moeten zitten. De tijdgevouwen optica, echter, trok het beeld in beeld na vijf rondreizen, met slechts een lens-sensorafstand van 3,1 centimeter.

Dit kan handig zijn, Heshmat zegt, bij het ontwerpen van compactere telescooplenzen die vastleggen, zeggen, ultrasnelle signalen uit de ruimte, of voor het ontwerpen van kleinere en lichtere lenzen voor satellieten om het aardoppervlak in beeld te brengen.

Multizoom en veelkleurig

De onderzoekers beeldden vervolgens twee patronen af ​​die ongeveer 50 centimeter van elkaar verwijderd waren, maar elk binnen het gezichtsveld van de camera. Een "X" patroon was 55 centimeter van de lens, en een "II" patroon was 4 centimeter van de lens. Door de optica nauwkeurig te herschikken - gedeeltelijk, door de lens tussen de twee spiegels te plaatsen - ze vormden het licht op een manier dat elke rondreis een nieuwe vergroting creëerde in een enkele beeldacquisitie. Op die manier, het is alsof de camera bij elke rondreis inzoomt. Toen ze de laser in het tafereel schoten, het resultaat was twee afzonderlijke, gefocuste beelden, gemaakt in één keer:het X-patroon vastgelegd tijdens de eerste rondreis, en het II-patroon vastgelegd op de tweede rondreis.

De onderzoekers demonstreerden vervolgens een ultrasnelle multispectrale (of multicolor) camera. Ze ontwierpen twee kleurreflecterende spiegels en een breedbandspiegel - één afgestemd om één kleur weer te geven, dichter bij de lens plaatsen, en een afgestemd om een ​​tweede kleur weer te geven, verder naar achteren van de lens. Ze beeldden een masker af met een "A" en "B, " waarbij de A de tweede kleur verlicht en de B de eerste kleur verlicht, beide voor een paar tienden van een picoseconde.

Toen het licht in de camera viel, golflengten van de eerste kleur worden onmiddellijk heen en weer gereflecteerd in de eerste holte, en de tijd werd geklokt door de sensor. Golflengten van de tweede kleur, echter, door de eerste holte gegaan, in de tweede, hun tijd tot de sensor enigszins vertragen. Omdat de onderzoekers wisten welke golflengte op welk moment de sensor zou raken, ze legden vervolgens de respectieve kleuren op de afbeelding - de eerste golflengte was de eerste kleur, en de tweede was de tweede kleur. Dit kan worden gebruikt in camera's met dieptewaarneming, die momenteel alleen infrarood opnemen, zegt Hesmat.

Een belangrijk kenmerk van het papier, Heshmat zegt, is het opent deuren voor veel verschillende optica-ontwerpen door de holte-afstand aan te passen, of door verschillende soorten holtes te gebruiken, sensoren, en lenzen. "De kernboodschap is dat als je een camera hebt die snel is, of heeft een dieptesensor, u hoeft optica niet te ontwerpen zoals u deed voor oude camera's. U kunt veel meer met de optiek doen door er op het juiste moment naar te kijken, ' zegt Hesmat.