Megcsinálták a fal mögé látó fényképezőgépet

Eddig valamennyi képalkotó rendszer közvetlen, egyenesen érkező fénnyel működött, most azonban elkészült az első olyan kamera prototípusa, mellyel például egy utcasarok mögött rejtőzködő személy, tárgy is látható. A falakról és egyéb tereptárgyakról visszaverődő fényben eddig is benne volt ez az információ, a tudósok most megtanulták kiszedni belőle. A kamera a beérkező fényből 3D alakot rekonstruál.

A készüléket Joe Paradiso és Neil Gershenfeld professzorok vezetésével a Massachusetts Műszaki Intézetben (Massachusetts Institute of Technology, MIT) építették meg. Az elfedett tárgy megvilágítására néhány femtomásodpercig (néhányszor 10^-15 másodpercig) tartó lézerimpulzusokat használtak. Ilyen rövid idő alatt a fény a milliméternél is sokkal kisebb távolságot tesz meg. A visszaverődött fényt olyan kamerával fogják fel, mely másodpercenként egybillió, azaz 10¹² felvételt rögzít. Ez az óriási exponálási gyakoriság lehetővé teszi a fény kibocsátása és visszaérkezése közötti idő figyelembe vételét, és kamera helyzetéből nem látható tárgyak alakjának meghatározását.

Az új találmány neve femtofotózás. Néhány femtoszekundumos lézerbesugárzás, pikoszekundum pontosságú érzékelés és matematikai inverziós módszerek kellenek hozzá. A rövid lézerimpulzusok többszörösen visszaverődnek a környező felületekről. A visszaérkezési irányok és idő elemzésével becsülhető meg a takarásban levő geometriai elrendezés. E rövid fényjelenségnél figyelembe lehet venni a fény sebességének végességét. Mivel a fény 30 centimétert tesz meg egy nanomásodperc (10^-9 másodperc) alatt, a pikomásodperc (10^-12 másodperc) gyakoriságú mintavétel centiméteres pontosságú alakbecslést tesz lehetővé.

A hagyományos fényképezésben (a szerzők a digitális fotózást értik ezalatt) a fénysebesség végtelennek tekinthető, konkrét értéke nem játszik szerepet. A femtofotózás esetében viszont a fény útja az egyik felülettől a másikig véges mennyiségű időt vesz igénybe, és ez hasznos információkat eredményez. A kulcskérdés a számítógépes feldolgozás gyorsasága, mely a beérkezéstől visszafele számolja ki a fény útját. A felvevőeszköz egy úgynevezett tranziens képalkotó kamera. Ebben az elnevezésben a tranziens azt jelenti, hogy átmeneti, röpke, mivel pillanatszerű fényimpulzust észlel.

Ennek a kamerának az alapelve egy nyitott ajtajú szobával mutatható be a legegyszerűbben. A cél a szobában levő objektum helyzetének és alakjának a meghatározása az ajtón visszaverődő fény kihasználásával. A felhasználó egy ultrarövid lézersugarat irányít az ajtóra, mely onnan a szobába jut. A fény visszaverődik a szobában levő tárgyakról, egy részük ismét eléri az ajtót, onnan pedig a tranziens képalkotó kamerát.

A kamerában ultragyors érzékelők egy tömbje megméri az ajtó különböző részeiről visszaverődött jelek időprofilját (honnan-mikor viszonyát). Az időprofil elemzése - ami egy fordított geometriai probléma - megmutatja a visszaverő test alakját. (A direkt geometriai feladat a fény útjának, időprofiljának kiszámolása volna ismert elrendezés mellett. Ebben a fordított, inverz esetben az időprofil ismert, a geometriai elrendezést keressük.)

A tranziens képalkotó kamera megmutatja, hogyan reagál egy szoba egy nagyon rövid idejű lézervillanásra. Az átmeneti képalkotás állandó fényviszonyok helyett átmeneti visszaverődést használ. Szobányi méretek esetén még a vakut használó hagyományos fényképezőgép is állandó fényviszonyúnak tekinthető, az új átmeneti kamera viszont érzékeli a különböző utakat befutott fények beérkezési idejének eltérését. Minden fénysugár külön utat tesz meg az elrendezésen keresztül, így rengeteg információt tartalmaznak, amely elvész (kioltódik), ha hagyományos fényképezőgép pixelekkel gyűjtjük össze a fényt. A fény gyorsasága miatt a mintavétel a hagyományos érzékelőkkel elérhetetlen (a leggyorsabb videokamerákat mikroszekundumos expozíció jellemzi).

A femtofotózáshoz olyan kamerát kellett megalkotni, amely egy másodpercenként egybillió (ezer milliárd) képkockát készítő fényképezőgépnek felel meg. A feltalálók ehhez pikomásodperc pontosságú pixeleket használnak. Egy másik lehetőség az úgynevezett streak (rés) kamera, mely úgy viselkedik, mint egy oszcilloszkóp, és amelyben a fény a beérkezés időpontjától függő helyen éri el a detektort. Így különbség tehető a korábban és a később érkező fotonok között. A streak kamerákat gyakran használják a kémiában vagy a biológiában milliméteres méretű tárgyak megfigyelésére, de akadályok mögé eddig még nem tudtak nézni velük.

Az új képalkotási módszer számos területen hasznosítható lesz. Katasztrófahelyzetben, tűzből való mentésben a veszélyben levő személyek lokalizálását gyorsíthatja meg, a közlekedésben a karambolok kockázatát csökkentheti (például a beláthatatlan útkereszteződésekben), az iparban a robotok érzékelőiben lehet majd alkalmazni. Az orvosi képalkotásban az emberi test egyenesen be nem látható részeinek vizsgálatában segíthet az új kamera.

A femto-fotográfia endoszkópos felhasználása felderítheti az emberi szervezetben lévő "sarkon túli" részeket. Az ábrák szívtükrözésre, béltükrözésre és légcsőtükrözésre (kardioszkópia, kolonoszkópia, bronchoszkópia) és az itt előforduló szervi akadályokra mutatnak példát