Femto-fotografia: Filmando a um trilhão de quadros por segundo

 É possível um filme mostrar a própria luz em câmera lenta? Ou uma câmera fotografar imagens que dobraram a esquina e estão além do campo de visão?

Doc Edgerton nos inspirou com espanto e curiosidade com esta foto de uma perfuração de uma bala atravessando uma maçã, e uma exposição de apenas um milionésimo de segundo.

Mas agora, 50 anos depois, podemos ir um milhão de vezes mais rápido e ver o mundo, não um milhão ou um bilhão, mas um trilhão de quadros por segundo.

Agora, se eu pegar um ponteiro laser e ligá-lo e desligá-lo em um trilionésimo de segundo - que são várias femtossegundos - vou criar um pacote de fótons de apenas um milímetro de largura, e aquele pacote de fótons, aquela bala, vai viajar na velocidade da luz, e, novamente, um milhão de vezes mais rápido do que uma bala comum.

Agora, se você pegar a bala e tomar este pacote de fótons e disparar nessa garrafa, como é que esses fótons vão se fragmentar nessa garrafa? Como olhar a luz em câmara lenta? Agora, todo o evento. (Aplausos) Agora, lembre-se, todo o evento está efetivamente ocorrendo em menos de um milésimo de segundo - que é quanto tempo leva para a luz viajar - mas eu estou desacelerando neste vídeo por um fator de 10 bilhões para que você possa ver a luz no movimento. Mas, a Coca-Cola não patrocina esta pesquisa. (Risos)

Agora, há muita coisa acontecendo neste filme, então deixe-me decompô-lo e mostrar o que está acontecendo. Assim, o pulso entra na garrafa, a nossa bala, com um pacote de fótons que começa viajando através e inicia o espalhamento dentro.

Alguns dos vazamentos de luz, vão para a mesa, e você começa a ver essas ondulações. Muitos dos fótons, eventualmente, atingem a tampa e, em seguida, eles explodem em várias direções.

Como você pode ver, há uma bolha de ar, e ela está rebatendo por dentro. Enquanto isso, as ondulações estão viajando sobre a mesa, e por causa das reflexões em cima, você vê no fundo da garrafa, depois de vários quadros, os reflexos estão focados.

Agora, se você levar uma bala comum e deixá-lo percorrer a mesma distância e desacelerar o vídeo novamente por um fator de 10 bilhões, você sabe quanto tempo você vai ter que sentar aqui para assistir esse filme? Um dia, uma semana? Na verdade, um ano inteiro. Vai ser um filme muito chato - (Risos) - de uma lenta, bala comum em movimento. E o que dizer sobre alguma fotografia de natureza morta? Você pode assistir as ondulações novamente sobre a mesa, o tomate e a parede na parte de trás. É como jogar uma pedra em uma lagoa de água. Eu pensei, isso é como a natureza pinta uma foto, um quadro femto de cada vez, mas é claro que nosso olho vê um composto integral. Mas se você olhar para este tomate mais uma vez, você vai notar, como a luz inunda o tomate, ele continua a brilhar. Ele não se torna escuro.

Por que isso? Porque o tomate está realmente maduro, e a luz está rebatendo dentro do tomate, e sai depois de vários bilionésimos de segundo. Assim, no futuro, quando essa femto-câmera for a câmera do seu celular, você pode ser capaz de ir a um supermercado e verificar se a fruta está madura sem chegar a tocá-la. Então como é que a minha equipa no MIT criou esta câmera? Agora, como fotógrafos, você sabe, se você tirar uma foto de exposição curta, você terá muito pouca luz, mas estamos indo para um bilhão de vezes mais rápido que a mais curta exposição, assim você dificilmente vai obter qualquer luz. Então, o que fazemos é enviar a bala, os pacotes de fótons, milhões de vezes, e registrando de novo e novamente com uma sincronização bem inteligente, e dos gigabytes de dados, nós computacionalmente entrelaçamos para criar esses femto-vídeos que mostrei.

E podemos ter todos os dados brutos e tratá-la de maneiras muito interessantes. Assim, Superman pode voar. Alguns outros heróis podem se tornar invisíveis, mas que tal um novo poder para um super-herói futuro: ver ao redor de esquinas? A ideia é que possamos jogar alguma luz sobre a porta. Vai rebater, ir para dentro da sala, alguma vai refletir de volta na porta, e depois voltar para a câmera, e poderíamos explorar esses saltos múltiplos de luz.

E não é ficção científica. Nós realmente construimos. À esquerda, você vê nossa femto-câmera. Há um manequim escondido atrás de uma parede, e nós vamos refletir luz para fora da porta. Então, depois que nosso trabalho foi publicado na Nature Communications, foi destacado por Nature.com, e eles criaram esta animação.

      

 (Música)  Estamos indo disparar as balas de luz, e eles vão bater neste muro, e porque é um pacote dos fótons, eles vão se espalhar em todas as direções, e alguns deles vão chegar ao nosso manequim escondido, que por sua vez voltará a espalhar essa luz, e, novamente, por sua vez, a porta irá refletir um pouco desse luz dispersa, e uma pequena fração dos fótons vai realmente voltar para a câmera, mas o mais interessante, todos eles vão chegar em um tempo um pouco diferente.

(Música) E porque nós temos uma câmera que pode trabalhar tão rápido, nossa femto-câmera, ela tem algumas habilidades únicas. Tem resolução de tempo muito boa, e pode olhar o mundo à velocidade da luz. E desta forma, sabemos as distâncias, é claro até a porta, mas também para os objetos escondidos, mas não sabemos que ponto corresponde a que distância. (Música) Ao brilhar um laser, que pode registrar uma foto crua, o que, você olha na tela, realmente não faz qualquer sentido, mas depois vamos ter um monte de tais imagens, dezenas de tais imagens, colocá-las juntas, e tentar analisar os saltos múltiplos de luz, e a partir disso, podemos ver o objeto escondido? Podemos vê-lo em 3D? Então esta é a nossa reconstrução. (Música) (Aplausos)

Agora, temos alguns caminhos a percorrer antes de levarmos isso para fora do laboratório, mas no futuro, podemos criar carros que evitem colisões com o que está além da curva, ou podemos procurar por sobreviventes em condições perigosas, olhando para a luz refletida através de janelas abertas, ou podemos construir endoscópios que podem ver no fundo do corpo em torno de próteses, e também para cardioscópios.

Femto-câmeras poderão evitar colisões de automóveis no futuro.

Mas, claro, por causa do tecido e sangue, isto é bastante difícil, pelo que esta é realmente uma chamada para que os cientistas comecem a pensar em femto-fotografia como realmente modalidade de imageamento para resolver a próxima geração de problemas de imagens da saúde.

Agora, como Doc Edgerton, ele próprio um cientista, a ciência tornou-se arte, uma arte da fotografia ultra-rápida, e eu percebi que todos os gigabytes de dados que estamos coletando cada vez que não é apenas para imagens científicas, mas também podemos fazer uma nova forma de fotografia computacional com lapso de tempo e codificação de cores, e olhamos para as ondulações. Lembrando, o tempo entre cada um dos ondulações é de apenas alguns trilionésimos de um segundo.

Mas há também algo engraçado acontecendo aqui. Quando você olha para as ondulações sob a tampa, as ondulações estão se afastando de nós. As ondulações devem estar se movendo em nossa direção. O que está acontecendo aqui? Acontece, porque nós estamos gravando quase à velocidade da luz, que temos efeitos estranhos, e Einstein teria gostado de ver esta imagem. A ordem em que os eventos têm lugar no mundo aparecem na câmara, por vezes, invertida, de modo que aplicando o desvio de espaço e tempo correspondente, pode-se corrigir esta distorção.

Então, se é para a fotografia ao redor de esquinas, ou criar a próxima geração de imagens para a saúde, ou a criação de novas visualizações, a partir da nossa invenção, temos o código aberto de todos os dados e detalhes em nosso site, e nossa esperança é que o faça-você-mesmo, a inovação e a comunidade de pesquisa vai nos mostrar que devemos parar com essa obsessão sobre os megapixels nas câmeras - (Risos) - e começar a focar na próxima dimensão em imagens. Que é sobre o tempo. Obrigado. (Aplausos) Saiba mais: FemtoPhotography.info

 [Via BBA]