Los investigadores del MIT han desarrollado ópticas fotográficas novedosas que capturan imágenes basadas en el momento en que se refleja la luz dentro de la óptica, en lugar del enfoque tradicional que se basa en la disposición de componentes ópticos. Estos nuevos principios, los investigadores dicen, abrir puertas a nuevas capacidades para cámaras sensibles al tiempo o la profundidad, que no son posibles con la óptica de fotografía convencional.

Específicamente, los investigadores diseñaron una nueva óptica para un sensor ultrarrápido llamado cámara de rayas que resuelve imágenes a partir de pulsos de luz ultracortos. Se han utilizado cámaras de racha y otras cámaras ultrarrápidas para hacer un video de un billón de fotogramas por segundo, escanear libros cerrados, y proporcionar un mapa de profundidad de una escena en 3-D, entre otras aplicaciones. Estas cámaras se han basado en ópticas convencionales, que tienen varias limitaciones de diseño. Por ejemplo, una lente con una distancia focal determinada, medido en milímetros o centímetros, tiene que sentarse a una distancia de un sensor de imagen igual o mayor que esa distancia focal para capturar una imagen. Esto básicamente significa que las lentes deben ser muy largas.

En un artículo publicado en el Fotónica de la naturaleza , Los investigadores del MIT Media Lab describen una técnica que hace que una señal de luz se refleje hacia adelante y hacia atrás en espejos cuidadosamente colocados dentro del sistema de lentes. Un sensor de imágenes rápido captura una imagen separada en cada momento de reflexión. El resultado es una secuencia de imágenes, cada una correspondiente a un punto diferente en el tiempo, ya una distancia diferente de la lente. Se puede acceder a cada imagen en su momento específico. Los investigadores han acuñado esta técnica como "óptica plegada en el tiempo".

"Cuando tienes una cámara con sensor rápido, para resolver el paso de la luz a través de la óptica, puedes cambiar tiempo por espacio, "dice Barmak Heshmat, primer autor del artículo. "Ese es el concepto central del plegado del tiempo ... Miras la óptica en el momento adecuado, y ese tiempo equivale a mirarlo a la distancia adecuada. A continuación, puede organizar la óptica de nuevas formas que tengan capacidades que antes no eran posibles ".

En su estudio, los investigadores demuestran tres usos de la óptica de plegado en el tiempo para cámaras ultrarrápidas y otros dispositivos de imágenes sensibles a la profundidad. Estas cámaras, también llamadas cámaras de "tiempo de vuelo", medir el tiempo que tarda un pulso de luz en reflejarse en una escena y volver a un sensor, para estimar la profundidad de la escena 3-D.

La nueva arquitectura óptica incluye un conjunto de espejos paralelos semirreflectantes que reducen, o "doblar, "la distancia focal cada vez que la luz se refleja entre los espejos. Al colocar el conjunto de espejos entre la lente y el sensor, los investigadores condensaron la distancia de la disposición óptica en un orden de magnitud mientras aún capturaban una imagen de la escena.

Los coautores del artículo son Matthew Tancik, estudiante de posgrado en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT; Guy Satat, un doctorado estudiante del Camera Culture Group en el Media Lab; y Ramesh Raskar, profesor asociado de artes y ciencias de los medios y director del Camera Culture Group.

Doblando el camino óptico en el tiempo

El sistema de los investigadores consiste en un componente que proyecta un pulso láser de femtosegundo (cuadrillonésimo de segundo) en una escena para iluminar los objetos objetivo. La óptica de fotografía tradicional cambia la forma de la señal de luz a medida que viaja a través de las gafas curvas. Este cambio de forma crea una imagen en el sensor.

Pero, con la óptica de los investigadores, en lugar de dirigirse directamente al sensor, la señal primero rebota de un lado a otro entre espejos dispuestos con precisión para atrapar y reflejar la luz. Cada una de estas reflexiones se denomina "ida y vuelta". En cada viaje de ida y vuelta, algo de luz es capturado por el sensor programado para la imagen en un intervalo de tiempo específico, por ejemplo, una instantánea de 1 nanosegundo cada 30 nanosegundos.

Una innovación clave es que cada ida y vuelta de la luz mueve el punto focal, donde se coloca un sensor para capturar una imagen, más cerca de la lente. Esto permite que la lente se condense drásticamente. Digamos que una cámara de racha quiere capturar una imagen con la distancia focal larga de una lente tradicional. Con óptica plegada en el tiempo, el primer viaje de ida y vuelta acerca el punto focal aproximadamente al doble de la longitud del conjunto de espejos más cerca de la lente, y cada viaje de ida y vuelta posterior acerca cada vez más el punto focal. Dependiendo del número de viajes de ida y vuelta, A continuación, se puede colocar un sensor muy cerca de la lente.

Al colocar el sensor en un punto focal preciso, determinado por el total de viajes de ida y vuelta, la cámara puede capturar una imagen final nítida, así como diferentes etapas de la señal luminosa, cada uno codificado en un momento diferente, a medida que la señal cambia de forma para producir la imagen. (Las primeras tomas aparecerán borrosas, pero después de varios viajes de ida y vuelta, el objeto objetivo se enfocará).

En su papel los investigadores demuestran esto al obtener imágenes de un pulso de luz de femtosegundos a través de una máscara grabada con "MIT, "a 53 centímetros de la apertura del objetivo. Para capturar la imagen, la lente de distancia focal tradicional de 20 centímetros tendría que colocarse a unos 32 centímetros del sensor. La óptica plegada en el tiempo, sin embargo, enfocó la imagen después de cinco viajes de ida y vuelta, con una distancia de solo 3,1 centímetros entre la lente y el sensor.

Esto podría ser útil Heshmat dice:en el diseño de lentes telescópicos más compactos que capturan, decir, señales ultrarrápidas desde el espacio, o para diseñar lentes más pequeñas y ligeras para satélites para obtener imágenes de la superficie del suelo.

Multizoom y multicolor

A continuación, los investigadores obtuvieron imágenes de dos patrones espaciados unos 50 centímetros entre sí, pero cada uno dentro de la línea de visión de la cámara. Un patrón en "X" estaba a 55 centímetros de la lente, y un patrón "II" estaba a 4 centímetros de la lente. Al reorganizar con precisión la óptica, en parte, al colocar la lente entre los dos espejos, dieron forma a la luz de tal manera que cada viaje de ida y vuelta creaba un nuevo aumento en una sola adquisición de imagen. De ese modo, es como si la cámara se acercara con cada viaje de ida y vuelta. Cuando dispararon el láser en la escena, el resultado fueron dos separados, imágenes enfocadas, creado de una sola vez:el patrón X capturado en el primer viaje de ida y vuelta, y el patrón II capturado en el segundo viaje de ida y vuelta.

Luego, los investigadores demostraron una cámara ultrarrápida multiespectral (o multicolor). Diseñaron dos espejos que reflejan el color y un espejo de banda ancha, uno sintonizado para reflejar un color, poner más cerca de la lente, y uno afinado para reflejar un segundo color, alejado de la lente. Hicieron una imagen de una máscara con una "A" y una "B", "con la A iluminó el segundo color y la B iluminó el primer color, ambos durante unas décimas de picosegundo.

Cuando la luz viajó a la cámara, longitudes de onda del primer color reflejadas inmediatamente hacia adelante y hacia atrás en la primera cavidad, y el tiempo fue cronometrado por el sensor. Longitudes de onda del segundo color, sin embargo, pasó por la primera cavidad, en el segundo, retrasando ligeramente su tiempo hasta el sensor. Debido a que los investigadores sabían qué longitud de onda llegaría al sensor en qué momento, luego superpusieron los colores respectivos en la imagen:la primera longitud de onda fue el primer color, y el segundo fue el segundo color. Esto podría usarse en cámaras de detección de profundidad, que actualmente solo registran infrarrojos, Dice Heshmat.

Una característica clave del papel, Heshmat dice:abre las puertas a muchos diseños ópticos diferentes ajustando el espacio entre cavidades, o mediante el uso de diferentes tipos de caries, sensores, y lentes. "El mensaje principal es que cuando tienes una cámara rápida, o tiene un sensor de profundidad, no es necesario diseñar la óptica de la forma en que lo hizo con las cámaras antiguas. Puede hacer mucho más con las ópticas mirándolas en el momento adecuado, "Dice Heshmat.