„Csak lassan, csak szépen, ahogy a csillag megy az égen...”

Mindenki, aki valaha kezébe vett egy fényképezőgépet – főleg ha tette mindezt egy nem teljesen automatizált készülékkel – pontosan tudja, hogy legegyszerűbb jól megvilágított, lassan mozgó, sőt, lehetőleg álló tárgyakat fényképezni. Ahogy azt a művelet magyar elnevezése találóan ki is fejezi, a tárgyakról visszaverődő fény fotonjai az objektíven át bejutnak a berendezésben, ahol megörökítjük az ily módon létrehozott „lenyomatot”: „leképezzük a fényt”. Ha valami igen gyorsan mozog, vagy túl fényes, akkor a záridő csökkentésével továbbra is lehet kiváló eredményeket elérni, hiszen ha csak egyetlen ezred másodpercig kapnak zöld lámpát a fotonok, akkor ez alatt egy sétáló ember nagyságrendileg 1 mm-t mozdul el, ami még nem okoz komolyabb problémát. De mi van akkor, ha magát a fényt akarjuk megörökíteni mozgás közben? Erre a kérdésre keresi – és találja meg – a választ Ramesh Raskar és csapata az MIT-n. Tovább után a megörökített „fénylövedékről” és arról, hogy miként lehet ezen technika következtében belátni a sarkon túlra!

A fény mozgás közbeni megörökítése során a problémát természetesen az okozza, hogy másodpercenként 300000 km-t tesz meg, így már a másodperc milliomod része alatt is árkon-bokron túl jár egy az imént még a szemünk előtt táncoló foton. Ennek következtében ha előállítunk egy igen rövid lézerimpulzust, akkor annak tovahaladását megörökítve a képen még mindig egy teljes lézernyalábot fogunk látni, hasonlóan ahhoz, ahogy egy hosszú expozíciós éjszakai felvételen az autók fényszórói fény-sínekkel színezik ki a városképet.

Kézenfekvőnek tűnhet a megoldás a problémára: csökkentsük tovább az expozíciós időt. Ez a hagyományos élethelyzetekben működő eljárás azonban technikai akadályokba ütközik a szóban forgó tartományban, hiszen itt nagyságrendileg pikoszekundum hosszúságú rövidségű időtartamokról beszélünk. Egy pikoszekundum (a másodperc egy milliomod részének az egy milliomoda) alatt a fotonok 0.3 mm-t tesznek meg, ami már üdvözítő lenne. Fellép viszont egy másik jelenség: ilyen expozíciós idő mellett gyakorlatilag semmi nem jut be a kamerába, ráadásul ezt nem is tudjuk a hagyományos módszerekkel elérni.

A megoldást a „streak tube” nevű berendezés jelenti, melynek segítségével egydimenziós, szuper rövid videókat készíthetünk a megörökíteni kívánt célterület egy „vonaláról”. Hasonló ez ahhoz, ahogy a hagyományos, katódsugaras TV képernyője lényegében 1 dimenziós mozgóképek egymás alá helyezett sokaságából áll össze, sorról-sorra rajzolódik ki az elénk vetült felvétel. Az eszköz egy oszcilloszkóphoz hasonlítható módon a beérkező fotonok által generált elektronokat eltéríti az idő függvényében, így a később érkező fotonok más helyre, ezáltal másik detektorra érkező jelet generálnak (egy látványos animáció és kicsit több leírás itt). Összesen 480 ilyen 1 dimenziós detektort helyeztek el a műszerben, melyek darabja 1,7 pikoszekundumig kap jelet. Ezt tekinthetjük a kép expozíciós idejének, az eredmény pedig egy 480 képkockából álló, 480*1,7 pikoszekundum hosszúságú (ez alig kevesebb mint 1 nanomásodpercet jelent) „videó” lesz. Természetesen egy ilyen felvétel igen zajos, rossz minőségű, ezért számtalanszor meg kell ismételni, hogy elegendő jelet gyűjthessünk egy minőségi kép megalkotásához. A folyamat hátterében igen bonyolult jelfeldolgozási algoritmusok nyögik az igát. Ezen ismétlési kényszer miatt csak olyan jelenségekről lehet felvételt készíteni, amelyek tetszőlegesen sokszor, igen nagy pontossággal megismételhetőek. Az előadásban szereplő példa során egy nagyjából 1 cm hosszúságú lézer impulzus vízzel töltött palackon való áthaladását mutatják be. A lézer és a kamera egymással szinkronban működtethető pikoszekundum pontossággal időzítve, a berendezés pedig a kutatók igényei szerinti számban kisüthető.

Mint azt láthatjuk, a fenti eljárás következtében még csak a megörökítendő jelenség egyetlen vonalát sikerült megragadnunk. Éppen ezért egy mozgatható tükörrendszer segítségével a mérést újra és újra megismételve további képeket kell készíteni az újabb és újabb egymás melletti vonalakról, míg végül elegendő adat gyűlik össze az azokat kiértékelő, összeillesztő és rekonstruáló számítógépes algoritmus számára. A sok szükséges ismétlés miatt egy ilyen nanoszekundum hosszúságú videó végül 1 óra alatt vehető fel, és akkor még nem ejtettünk szót a kiértékelés időigényéről. Az eredmény döbbenetes, és megtekinthető a professzor TED előadásának videójában (magyar felirat elérhető):

A technika lehetővé teszi, hogy pikoszekundumos időbeli felbontással detektáljuk fotonokat, ez pedig érdekes alkalmazásokat eredményezhet. Ezek közül a „sarkon túlra” való fényképezést említi az előadó. Ez a folyamat tulajdonképpen egyfajta „fényradar”-ként aposztrofálható. A tárgyak döntő hányada ugyanis tükörként funkcionál, legfeljebb igen rossz minőségűként. Ha nem így lenne, és nem vernék vissza a fotonokat, akkor semmit nem látnánk. Mivel az eljárás segítségével 1,7 piko szekundum pontossággal tudjuk időben elkülöníteni egymástól a visszaverődő fotonokat, így visszaszámolva ez azt jelenti, hogy 0,5 mm pontossággal meg tudjuk mondani azt, hogy két beérkező foton egymáshoz képest mekkora különbségű távolságot tett meg. A kamera alá helyezett lézerrel tehát sorra bocsáthatjuk ki az impulzusokat, majd detektáljuk a visszaverődéseket. Itt természetesen még a palackos példánál is sokkal zajosabb eredményekre juthatunk csak, aminek következtében még komplexebb eljárások szükségesek ahhoz, hogy a rendelkezésre álló távolság adatokból rekonstruálni lehessen a kanyaron túl található látképet (szemléletes videó az előadás végén), de mindez immár lehetséges!

A csoport munkásságáról további érdekességek olvashatók honlapjukon!