Nowa optyka do ultraszybkich kamer stwarza nowe możliwości obrazowania

Ultra szybkie sieci LAN. Semihalf Podcast #003 (Lipiec 2019).

Anonim

Naukowcy z MIT opracowali nowatorską optykę fotograficzną, która rejestruje obrazy w oparciu o czas odbijania światła wewnątrz optyki, zamiast tradycyjnego podejścia, które polega na rozmieszczeniu elementów optycznych. Te nowe zasady, jak twierdzą naukowcy, otwierają nowe możliwości dla kamer wrażliwych na czas lub głębokość, które nie są możliwe w przypadku konwencjonalnej optyki fotograficznej.

W szczególności badacze zaprojektowali nową optykę dla ultraszybkiego czujnika zwanego kamerą smugową, która usuwa obrazy z ultrakrótkich impulsów światła. Kamery smugowe i inne ultraszybkie kamery zostały wykorzystane do tworzenia wideo z bilionami klatek na sekundę, skanowania zamkniętych książek i dostarczania głębi mapy sceny 3D oraz innych aplikacji. Takie aparaty wykorzystują konwencjonalną optykę, która ma różne ograniczenia konstrukcyjne. Na przykład, soczewka o danej ogniskowej, mierzona w milimetrach lub centymetrach, musi znajdować się w odległości od czujnika obrazowania równej lub większej od tej ogniskowej, aby uchwycić obraz. Zasadniczo oznacza to, że soczewki muszą być bardzo długie.

W artykule opublikowanym w tym tygodniu w Nature Photonics, naukowcy z MIT Media Lab opisują technikę, która sprawia, że ​​sygnał świetlny odbija dokładnie i dokładnie ustawione lustra w systemie soczewek. Szybki czujnik obrazowania rejestruje oddzielny obraz przy każdym czasie refleksji. Rezultatem jest sekwencja obrazów - każda odpowiadająca innemu punktowi czasu i różnej odległości od soczewki. Każdy obraz może być dostępny w określonym czasie. Naukowcy stworzyli tę technikę "optyki zwiniętej w czasie".

"Jeśli dysponujesz szybką kamerą sensoryczną, aby rozjaśnić światło przechodzące przez optykę, możesz wymienić czas na miejsce", mówi Barmak Heshmat, pierwszy autor artykułu na temat papieru. "To jest podstawowa koncepcja zwijania czasu. … Patrzysz na układ optyczny we właściwym czasie, a ten czas jest równy patrzeniu na niego w odpowiedniej odległości. Możesz wtedy układać elementy optyczne na nowe sposoby, które mają możliwości, które nie były możliwe wcześniej. "

W swoich badaniach naukowcy demonstrują trzy zastosowania optyki złożonej w czasie dla ultraszybkich kamer i innych wrażliwych na głębokość obrazu urządzeń. Kamery te, nazywane również kamerami "z lotu w czasie", mierzą czas potrzebny, aby impuls światła odbił się od sceny i powrócił do czujnika, aby oszacować głębokość sceny trójwymiarowej.

Nowa architektura optyki zawiera zestaw półrefleksyjnych równoległych lusterek, które zmniejszają lub "fałdują" ogniskową za każdym razem, gdy światło odbija się między lusterkami. Umieszczając zestaw lusterek między soczewką a czujnikiem, naukowcy skondensowali odległość rozmieszczenia optyki o rząd wielkości, wciąż przechwytując obraz sceny.

Współautorami artykułu są Matthew Tancik, absolwent informatyki MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory; Guy Satat, doktorant student w Camera Culture Group w Media Lab; oraz Ramesh Raskar, profesor nadzwyczajny sztuk medialnych i nauk ścisłych oraz dyrektor grupy Camera Culture.

Składanie ścieżki optycznej w czasie

System badaczy składa się z komponentu, który wyświetla femtosekundowy (kwadrokionalny od drugiego) impuls laserowy w scenie, aby oświetlić obiekty docelowe. Tradycyjna optyka fotograficzna zmienia kształt sygnału świetlnego podczas przechodzenia przez zakrzywione okulary. Ta zmiana kształtu tworzy obraz na czujniku.

Ale dzięki optykom naukowców, zamiast skierować się prosto do czujnika, sygnał odbija się najpierw od luster, precyzyjnie ułożonych w pułapki i odbijających światło. Każde z tych refleksji nazywa się "podróżą w obie strony". Podczas każdej podróży w obie strony, niektóre światła są przechwytywane przez czujnik zaprogramowany do obrazu w określonym przedziale czasu - na przykład, 1-nanosekundowa migawka co 30 nanosekund.

Kluczową innowacją jest to, że każda runda światła porusza punkt ogniskowy - gdzie czujnik jest ustawiony tak, aby uchwycić obraz bliżej soczewki. Pozwala to na drastyczne skondensowanie soczewki. Powiedzmy, że kamera pasmowa chce uchwycić obraz o długiej ogniskowej tradycyjnego obiektywu. Dzięki optykom z przesunięciem w czasie, pierwsza podróż w obie strony przyciąga punkt skupienia o podwójną długość zestawu lusterek bliżej soczewki, a każda kolejna podróż w obie strony jeszcze bardziej przybliża punkt ogniskowy. W zależności od liczby cykli, czujnik może być umieszczony bardzo blisko obiektywu.

Umieszczając czujnik w precyzyjnym punkcie ogniskowym, określanym przez całkowite okrążenia, kamera może uchwycić ostry obraz końcowy, a także różne etapy sygnału świetlnego, każdy kodowany w innym czasie, ponieważ sygnał zmienia kształt, aby wytworzyć obraz. (Pierwsze kilka ujęć będzie rozmazane, ale po kilku okrążeniach obiekt docelowy zostanie ustawiony na ostrość).

W swoim artykule badacze demonstrują to poprzez obrazowanie femtosekundowego impulsu świetlnego przez maskę z wygrawerowanym "MIT", ustawioną 53 centymetry od otworu na obiektyw. Aby uchwycić obraz, tradycyjny 20-centymetrowy obiektyw z ogniskową musiałby siedzieć około 32 centymetrów od czujnika. Optyka z przesuniętą w czasie ustawiła ostrość obrazu po pięciu okrążeniach, mając jedynie 3, 1 centymetrową odległość od obiektywu.

To może być użyteczne, mówi Heshmat, przy projektowaniu bardziej kompaktowych soczewek teleskopowych, które przechwytują, powiedzmy, ultraszybkie sygnały z kosmosu, lub do projektowania mniejszych i lżejszych obiektywów dla satelitów do obrazowania powierzchni ziemi.

Multizoom i multicolor

Naukowcy następnie obrazowali dwa wzory rozmieszczone w odległości około 50 centymetrów od siebie, ale każdy w linii wzroku kamery. Wzór "X" był 55 centymetrem od soczewki, a wzór "II" był 4 centymetry od soczewki. Poprzez precyzyjną zmianę układu optycznego - po umieszczeniu soczewki pomiędzy dwoma lusterkami - ukształtowały one światło w taki sposób, że każda podróż w obie strony tworzy nowe powiększenie podczas pojedynczego akwizycji obrazu. W ten sposób wygląda tak, jakby kamera przybliżała się podczas każdej podróży w obie strony. Kiedy wystrzelili laser do sceny, efektem były dwa oddzielne, skupione obrazy, utworzone w jednym ujęciu - wzór X uchwycony podczas pierwszej podróży w obie strony oraz wzór II uchwycony podczas drugiej podróży rundy.

Następnie naukowcy zademonstrowali ultraszybką kamerę wielospektralną (lub wielokolorową). Zaprojektowali dwa odbijające kolory lustra i szerokopasmowe lustro - jeden dostosowany do odbicia jednego koloru, ustawiony bliżej obiektywu i jeden dostrojony, aby odzwierciedlić drugi kolor, położony dalej od obiektywu. Zobrazowali maskę z "A" i "B", a A oświetliło drugi kolor, a B oświetlił pierwszy kolor, oba na kilka dziesiątych pikosekundy.

Kiedy światło wędrowało do kamery, długości fali pierwszego koloru natychmiast odbijały się w pierwszej i wnęce, a czas był taktowany przez czujnik. Jednakże długości fal drugiego koloru przechodziły przez pierwszą wnękę do drugiej, nieco opóźniając swój czas do czujnika. Ponieważ naukowcy wiedzieli, która fala uderzy w czujnik w tym czasie, następnie nałożą odpowiednie kolory na obraz - pierwsza długość fali była pierwszym kolorem, a druga była drugim kolorem. Może to być wykorzystane w kamerach o głębokim odczuciu, które obecnie rejestrują tylko podczerwień, mówi Heshmat.

Według Heshmat, jedną z najważniejszych cech tego papieru jest to, że otwiera drzwi do wielu różnych projektów optyki, poprawiając odstępy między wnękami lub stosując różne typy wnęk, czujników i soczewek. "Głównym przesłaniem jest to, że gdy masz aparat, który jest szybki lub ma czujnik głębokości, nie musisz projektować optyki w taki sam sposób jak w starych aparatach fotograficznych. Możesz zrobić o wiele więcej dzięki optykom, patrząc na nie we właściwym czasie ", mówi Heshmat.

menu
menu