Ramesh Raskar: En biljon bilder per sekund

Doc Edgerton fyllde oss med beundran och nyfikenhet med det här fotot av en kula som genomborrar ett äpple, och en slutartid på bara en miljondels sekund. Men idag, 50 år senare, går det en miljon gånger snabbare, och vi kan se världen inte i en miljon, eller en miljard, utan en biljon bildrutor per sekund.

Jag vill introducera er för en ny typ av fotografi, femtofotografi, en ny bildteknik som är så snabb att den kan skapa filmer i ultrarapid av ljus i rörelse. Och med den kan vi göra kameror som kan se runt hörn, utom synhåll, eller se insidan av kroppen utan röntgen, och verkligen ifrågasätta vår syn på kameror.

Om jag nu tar en laserpekare och slår på och av den på en biljondels sekund – vilket är flera femtosekunder – kommer den att skapa en fotongrupp, knappt en millimeter i bredd, och den här fotongruppen, den "kulan", kommer att färdas med ljusets hastighet, och, som sagt, en miljon gånger snabbare än en pistolkula. Om vi sedan tar den kulan, den här fotongruppen, och fyrar av den i flaskan här, hur kommer de fotonerna att spridas i flaskan? Hur ser ljus ut i ultrarapid?

Hela det här förloppet — (Applåder) (Applåder)

Kom ihåg att hela förloppet i praktiken tar mindre än en nanosekund – det är den tid det tar för ljus att färdas – men jag saktar ned det 10 miljarder gånger i den här videon så ni kan se ljuset i rörelse.

Men Coca-Cola sponsrade inte den här forskningen. (Skratt)

Det är en hel del som händer i den här filmen, så jag vill ta isär den för er och visa vad som händer. Ljuset, vår "kula", kommer då in i flaskan med en grupp fotoner som färdas rakt igenom och börjar spridas inuti. En del av ljuset hamnar på bordet och man börjar se de här vågmönstrena. De flesta fotoner når så småningom korken där de spränger åt alla håll. Som ni ser finns det en luftbubbla, och den studsar runt där inne. Samtidigt sprider sig vågorna över bordet, och på grund av reflektionerna längst upp kan man se i botten av flaskan, flera bildrutor senare, hur reflektionerna fokuseras.

Om man i stället tar en vanlig kula och låter den färdas lika långt och saktar ned videon 10 miljarder gånger igen, vet ni hur länge ni måste sitta här och titta på den? En dag, en vecka? Faktiskt ett helt år. Det blir en väldigt trist film – (Skratt) – om en långsam, helt vanlig kula.

Ska vi ta en titt på stillebenfoto?

Nu ser ni vågorna igen, hur de sköljer över bordet, tomaten och väggen där bak. Det är som att kasta en sten i en damm.

Jag tänkte att det är så här naturen målar upp ett foto, en femtosekund åt gången, men våra ögon ser förstås en sammansatt bild. Men om ni tittar på den här tomaten igen, ser ni att när ljuset sköljer över tomaten fortsätter den att lysa. Den blir inte mörkare. Varför är det så? Därför att tomaten är mogen, och ljuset studsar runt i tomaten och kommer ut efter åtskilliga biljondels sekunder. Så i framtiden, när den här femtokameran finns i era kameramobiler, kommer ni kanske kunna gå till snabbköpet och kolla om frukten är mogen utan att ens ta på den.

Hur kunde då mitt team på MIT göra den här kameran? De av er som är fotografer vet att med en kort slutartid får man väldigt lite ljus, men här går det en miljard gånger snabbare än den kortaste slutartiden, så vi får nästan inget ljus alls. Så det vi gör är att skicka den här kulan, eller fotongruppen, flera miljoner gånger, och filma om och om igen med smart synkronisering, och från alla gigabyte av data beräknar vi fram de här femto-filmerna jag visat er.

Och vi kan ta all den här rådatan och göra väldigt intressanta saker med den. Stålmannen kan ju flyga, några andra hjältar kan bli osynliga, men vad sägs om en ny kraft för vår framtida superhjälte: att se runt hörn? Tanken är att vi riktar ljuset mot dörren. Det kommer att studsa, ta sig in i rummet, en del kommer att reflekteras tillbaks mot dörren och sedan in i kameran igen, så vi kan dra nytta av ljusets reflektioner.

Det är inte science fiction. Vi har faktiskt byggt det. Till vänster ser ni vår femtokamera. Det finns en modelldocka gömd bakom en vägg, och vi kommer låta ljuset studsa mot dörren.

Efter att vår artikel publicerades i Nature Communications, blev den uppmärksammad av Nature.com som gjorde den här animationen.

(Musik)

Vi fyrar av de här "skotten" med ljus som träffar den här väggen, och eftersom det är en grupp av fotoner kommer de skingras åt alla håll, och en del når fram till den gömda dockan, som i sin tur sprider ljuset igen och dörren reflekterar sedan en del av det utspridda ljuset, och en bråkdel av fotonerna kommer ända tillbaks till kameran, men det viktigaste är att de når fram vid något olika tidpunkter. (Musik)

Och eftersom vi har en så snabb kamera, vår femtokamera, har den vissa unika egenskaper. Den har väldigt bra tidsupplösning, och den kan se världen i ljusets hastighet. Därför vet vi avstånden, till dörren förstås, men även till de dolda föremålen, men vi vet inte vilken punkt som svarar mot vilket avstånd. (Musik)

Med hjälp av en laser kan vi ta ett råfoto som, ni ser på skärmen, är ganska intetsägande, men sedan tar vi många sådana bilder, massor av dem, sätter ihop dem, och försöker räkna ut hur ljuset studsat – kan vi med detta se det dolda föremålet? Kan vi se det i full 3D?

Det här är då vår rekonstruktion. (Musik) (Musik) (Musik) (Applåder)

Vi har en del jobb innan vi kan ta det här från labbet till verkligheten, men i framtiden kan vi göra bilar som inte krockar med det som finns runt knuten, eller leta efter överlevande i farliga situationer genom att se hur ljus reflekteras från öppna fönster, eller tillverka endoskop som kan se djupt inne i kroppen, förbi tillslutningar, eller in i hjärtat. Men det är klart, på grund av vävnader och blod är det en viss utmaning, så det är verkligen dags för forskare att börja tänka på femtofotografi som en ny form av bildåtergivning, för att lösa framtidens problem inom medicinsk bildteknik.

För Doc Edgerton, som också var forskare, blev vetenskap till konst, en ultrasnabb fotokonst, och jag förstod själv att alla gigabyte av data som vi samlar in hela tiden inte bara är till för vetenskaplig bildteknik, utan också en ny typ av digitalt fotografi med snabbspolning och färgkodning, och vi tittar på de där vågorna. Kom ihåg att tiden mellan varje våg bara är några få biljondels sekunder.

Men det är förresten något skumt på gång här. När man tittar på vågorna under korken är de på väg i riktning från oss. Vågorna borde röra sig mot oss. Varför är det så här?

Jo, eftersom vi spelar in nästan i ljusets hastighet får vi en del märkliga resultat, och Einstein hade älskat den här bilden. Det verkliga händelseförloppet ser i kameran ut att kastas om ibland, så genom att justera för rums- och tidsförskjutningen kan vi korrigera det här felet.

Vare sig det handlar om att ta bilder runt hörn, eller utveckla bildtekniken inom sjukvården, eller skapa nya slags illustrationer, har vi i och med vår uppfinning offentliggjort all data och på vår hemsida, och vi hoppas att entusiaster, konstnärer och forskningssamhället kommer få oss att sluta stressa över megapixlarna i kameror – (Skratt) – och börja tänka på nästa aspekt av bildhantering. Låt oss inte dra ut på tiden. Tack. (Applåder) (Applåder)