Ramesh Raskar: Beeldvorming aan een biljoen beelden per seconde

Doc Edgerton vervulde ons met ontzag en nieuwsgierigheid met deze foto van een kogel die een appel doorboort en een belichting van slechts één miljoenste van een seconde. Maar nu, 50 jaar later, kunnen we een miljoen keer sneller gaan en de wereld niet in één miljoen, of één miljard, maar in één biljoen frames per seconde bekijken.

Ik stel jullie een nieuw type van fotografie voor, femto-fotografie, een nieuwe beeldvormingstechniek die zo snel is dat je een video van licht in slow motion kan maken. Daarmee kunnen we camera's maken die rond hoeken kunnen kijken, buiten de lijn van het zicht, of in ons lichaam kunnen kijken zonder röntgenstralen. Een nieuwe invulling van het begrip camera.

Als ik een laserpointer in een biljoenste van een seconde in- en uitschakel -- dat is verscheidene femtosecondes -- maak ik een pakketje fotonen van nauwelijks een millimeter breed, en dat pakketje fotonen, die kogel, beweegt met de lichtsnelheid, en wel een miljoen keer sneller dan een gewone kogel. Als je dit pakket fotonen, die kogel, op deze fles afvuurt, hoe gaan die fotonen zich dan verstrooien in die fles? Hoe ziet licht in slow motion eruit?

Het hele gebeuren -- (Applaus)

Vergeet niet dat dit hele gebeuren effectief plaatsvindt in minder dan één nanoseconde — dat is de tijd die licht nodig heeft om deze afstand af te leggen — maar 10 miljard keer vertraagd. Je kan de beweging van het licht volgen.

Coca-Cola heeft dit onderzoek niet gesponsord. (Gelach)

Er gebeurt heel wat in deze film. Ik leg het even uit. De lichtpuls of onze kogel of een pakket fotonen komt de fles binnen en begint te verstrooien. Een deel van het licht lekt weg, valt op de tafel, en je ziet deze rimpelingen van golven. Veel fotonen bereiken uiteindelijk de schroefdop en verspreiden zich in verschillende richtingen. Je kan binnen een luchtbel zien rondstuiteren. Ondertussen vallen de rimpelingen op de tafel, en door de weerkaatsing bovenaan zie je na verschillende frames dat achteraan in de fles de reflecties gefocust worden.

Mocht je een gewone kogel hetzelfde laten doen en de video 10 miljard keer vertragen, hoe lang denk je dan dat die film zou duren? Een dag, een week? In feite een heel jaar. Het zou een erg saaie film worden — (Gelach) — van een langzame, gewone kogel in beweging.

Hoe vind je deze stillevenfotografie?

Je ziet alweer die rimpelingen over de tafel, de tomaat en de muur erachter wegdeinen. Net als een steen in een vijver gooien.

Zo schildert de natuur een beeld, één femtoframe tegelijk, maar onze ogen zien natuurlijk een integrale compositie. Maar bekijk deze tomaat nog eens. Als het licht van de tomaat wegstroomt, blijft ze nagloeien. Ze wordt niet donker. Waarom? Omdat ze rijp is, het licht wat rondstuitert in de tomaat en pas na enkele biljoensten van een seconde eruit komt. Wanneer je in de toekomst zo'n femto-camera in je cameratelefoon gaat hebben, kan je in de supermarkt gelijk controleren of de vrucht rijp is zonder ze aan te raken.

Hoe is mijn team aan het MIT op dit idee gekomen? Als fotograaf weet je dat je bij een korte belichting maar weinig licht krijgt. Maar wij doen het nog een miljard keer sneller dan jullie kortste belichting. Wij ontvangen dus nauwelijks enig licht. We sturen die kogel, dat fotonenpakket, miljoenen keren uit en registreren het steeds weer opnieuw met een zeer slimme synchronisatie. Uit die gigabytes aan gegevens weven wij computationeel die femto-video's tesamen.

Al die ruwe gegevens kunnen wij op zeer interessante manieren behandelen. Superman kan vliegen. Andere helden kunnen zich onzichtbaar maken, maar zou een toekomstige superheld rond hoeken kunnen kijken? We laten wat licht op de deur vallen. Het gaat eraf stuiteren, zich in de kamer verspreiden, en een beetje gaat terug op de deur weerkaatst worden en dan terug naar de camera. Wij gebruiken deze lichtweerkaatsingen.

Dat is geen sciencefiction. We hebben het al gebouwd. Aan de linkerkant zie je onze femto-camera. Er zit een tekenpop verborgen achter een muur, we gaan licht via de deur naar binnen laten schijnen.

Na publicatie van ons artikel in Nature Communications werd het opgepikt door Nature.com. Ze maakten deze animatie.

(Muziek)

We gaan die 'kogels van licht' afvuren, ze gaan deze muur raken, en omdat het een pakket fotonen is, gaan ze in alle richtingen verstrooien. Enkelen zullen onze verborgen tekenpop bereiken, die zal op zijn beurt dat licht weer verstrooien, en ook de deur zal het weerkaatsen. Iets van dat verstrooide licht, een heel klein deel van de fotonen, zal de camera weer bereiken. Maar wat van belang is, is dat dat met minimale tijdsverschillen zal gebeuren. (Muziek)

Door zijn enorme snelheid bezit onze femto-camera een aantal unieke mogelijkheden. Hij heeft zeer goede tijdsresolutie en kan naar de wereld kijken met de snelheid van het licht. Daardoor kennen we de afstanden, uiteraard naar de deur, maar ook naar de verborgen objecten, maar we weten niet welk punt overeenkomt met welke afstand. (Muziek)

Met één laserflits kunnen we een ruwe foto nemen die - kijk maar op het scherm - je nog niets vertelt. Maar als we veel van deze foto's nemen, tientallen foto's, ze samenstellen en de meerdere weerkaatsingen van licht proberen te analyseren, krijgen we dan het verborgen object te zien? Zien we het in 3D?

Dit onze reconstructie. (Muziek) (Muziek) (Muziek) (Applaus)

Er is nog een heleboel werk te doen in het lab voordat dit de weg op kan, maar in de toekomst gaan auto's botsingen kunnen voorkomen door te zien wat er achter de bocht gaande is. Of we kunnen naar overlevenden zoeken onder gevaarlijke omstandigheden door te kijken naar licht weerspiegeld door open vensters, of we kunnen endoscopen bouwen die diep in het lichaam omheen hindernissen kunnen kijken, ook voor cardioscopen. Maar wegens de ondoorzichtigheid van weefsels en bloed, gaat dit een hele uitdaging zijn, dus is dit een oproep voor wetenschappers om te gaan denken over femto-fotografie als een nieuwe techniek om de volgende generatie problemen van medische beeldvormig op te lossen.

Doc Edgerton, zelf een wetenschapper, maakte wetenschap tot kunst, de kunst van ultrasnelle fotografie. Ik besefte dat al die gigabytes aan gegevens die we telkens weer opslaan niet alleen bruikbaar zullen zijn voor wetenschappelijke beeldvorming. Ook een nieuwe vorm van computationele fotografie met time-lapse en kleurcodering wordt mogelijk door die rimpelingen. Vergeet niet dat de tijdsduur tussen elk van deze rimpelingen slechts een paar biljoensten van een seconde is.

Maar er gebeurt ook iets grappigs. Als je kijkt naar de rimpelingen onder de schroefdop, dan bewegen ze van je weg. Maar ze zouden naar ons toe moeten komen. Wat gebeurt hier?

Het blijkt dat, omdat we opnemen aan bijna de snelheid van het licht, er vreemde effecten optreden. Einstein zou dol op deze film zijn geweest. De volgorde waarin gebeurtenissen in de wereld plaatsvinden verschijnen in de camera soms in omgekeerde volgorde. Door toepassing van de overeenkomstige ruimte- en tijdskromming kunnen we voor deze vervorming corrigeren.

Of het nu gaat om het fotograferen rond hoeken of de volgende generatie medische beeldvorming of het creëren van nieuwe visualisaties, sinds onze uitvinding hebben we alle gegevens en details op onze website open-source gemaakt. We hopen dat de doe-het-zelf-, de creatieve en de onderzoekswereld ons zullen aantonen dat we niet zo geobsedeerd moeten zijn door de megapixels in camera's — (Gelach) — en ons concentreren op de volgende dimensie in beeldbewerking. Dat wordt tijd. Bedankt. (Applaus) (Applaus)