Les chercheurs du MIT ont développé de nouvelles optiques photographiques qui capturent des images en fonction de la synchronisation de la réflexion de la lumière à l'intérieur de l'optique, au lieu de l'approche traditionnelle qui repose sur l'agencement des composants optiques. Ces nouveaux principes, disent les chercheurs, ouvrir la porte à de nouvelles capacités pour les caméras sensibles au temps ou à la profondeur, qui ne sont pas possibles avec les optiques photographiques conventionnelles.

Spécifiquement, les chercheurs ont conçu de nouvelles optiques pour un capteur ultrarapide appelé caméra à balayage qui résout les images à partir d'impulsions lumineuses ultracourtes. Des caméras à balayage et d'autres caméras ultrarapides ont été utilisées pour réaliser une vidéo de mille milliards d'images par seconde, parcourir les livres fermés, et fournir une carte de profondeur d'une scène 3D, entre autres applications. De telles caméras se sont appuyées sur des optiques conventionnelles, qui ont diverses contraintes de conception. Par exemple, une lentille de focale donnée, mesuré en millimètres ou en centimètres, doit s'asseoir à une distance d'un capteur d'imagerie égale ou supérieure à cette distance focale pour capturer une image. Cela signifie essentiellement que les lentilles doivent être très longues.

Dans un article publié dans le Photonique de la nature , Les chercheurs du MIT Media Lab décrivent une technique qui permet à un signal lumineux de se refléter dans les deux sens sur des miroirs soigneusement positionnés à l'intérieur du système de lentilles. Un capteur d'imagerie rapide capture une image distincte à chaque temps de réflexion. Le résultat est une séquence d'images, chacune correspondant à un moment différent, et à une distance différente de la lentille. Chaque image est accessible à son heure spécifique. Les chercheurs ont inventé cette technique « optique pliée dans le temps ».

"Lorsque vous avez une caméra à capteur rapide, pour résoudre la lumière passant par l'optique, vous pouvez échanger le temps contre l'espace, " dit Barmak Heshmat, premier auteur sur le papier. "C'est le concept de base du pliage du temps. ... Vous regardez l'optique au bon moment, et ce temps équivaut à le regarder à bonne distance. Vous pouvez ensuite organiser l'optique de nouvelles manières qui ont des capacités qui n'étaient pas possibles auparavant."

Dans leur étude, les chercheurs démontrent trois utilisations des optiques pliées dans le temps pour les caméras ultrarapides et autres dispositifs d'imagerie sensibles à la profondeur. Ces caméras, aussi appelées caméras « temps de vol », mesurer le temps qu'il faut à une impulsion lumineuse pour se refléter sur une scène et revenir vers un capteur, pour estimer la profondeur de la scène 3-D.

La nouvelle architecture optique comprend un ensemble de miroirs parallèles semi-réfléchissants qui réduisent, ou "plier, " la distance focale à chaque fois que la lumière se réfléchit entre les miroirs. En plaçant le jeu de miroirs entre l'objectif et le capteur, les chercheurs ont condensé la distance de l'arrangement optique d'un ordre de grandeur tout en capturant une image de la scène.

Les co-auteurs de l'article sont Matthew Tancik, un étudiant diplômé du laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle du MIT ; Guy Satat, un doctorat étudiant dans le Camera Culture Group au Media Lab; et Ramesh Raskar, professeur agrégé en arts et sciences médiatiques et directeur du Camera Culture Group.

Plier le chemin optique dans le temps

Le système des chercheurs se compose d'un composant qui projette une impulsion laser femtoseconde (quadrillionième de seconde) dans une scène pour illuminer les objets cibles. L'optique photographique traditionnelle modifie la forme du signal lumineux lorsqu'il traverse les verres incurvés. Ce changement de forme crée une image sur le capteur.

Mais, avec l'optique des chercheurs, au lieu de se diriger directement vers le capteur, le signal rebondit d'abord entre des miroirs précisément agencés pour piéger et réfléchir la lumière. Chacune de ces réflexions est appelée un « aller-retour ». A chaque aller-retour, une partie de la lumière est capturée par le capteur programmé pour imager à un intervalle de temps spécifique, par exemple, un instantané de 1 nanoseconde toutes les 30 nanosecondes.

Une innovation clé est que chaque aller-retour de la lumière déplace le point focal, où un capteur est positionné pour capturer une image, plus près de l'objectif. Cela permet à la lentille d'être considérablement condensée. Supposons qu'une caméra à balayage veuille capturer une image avec la longue focale d'un objectif traditionnel. Avec des optiques pliées dans le temps, le premier aller-retour rapproche le point focal d'environ le double de la longueur de l'ensemble de miroirs plus près de l'objectif, et chaque aller-retour ultérieur rapproche de plus en plus le point focal. Selon le nombre d'allers-retours, un capteur peut alors être placé très près de l'objectif.

En plaçant le capteur à un point focal précis, déterminé par le total des allers-retours, la caméra peut capturer une image finale nette, ainsi que les différentes étapes du signal lumineux, chacun codé à un moment différent, lorsque le signal change de forme pour produire l'image. (Les premières photos seront floues, mais après plusieurs allers-retours, l'objet cible sera mis au point.)

Dans leur papier, les chercheurs le démontrent en imageant une impulsion lumineuse femtoseconde à travers un masque gravé "MIT, " Réglez à 53 centimètres de l'ouverture de l'objectif. Pour capturer l'image, la focale traditionnelle de 20 centimètres devrait se trouver à environ 32 centimètres du capteur. L'optique pliée dans le temps, cependant, mis l'image au point après cinq allers-retours, avec seulement une distance objectif-capteur de 3,1 centimètres.

Cela peut être utile, Heshmat dit, en concevant des lentilles de télescope plus compactes qui capturent, dire, signaux ultrarapides de l'espace, ou pour concevoir des lentilles plus petites et plus légères pour les satellites afin d'imager la surface du sol.

Multizoom et multicolore

Les chercheurs ont ensuite imagé deux motifs espacés d'environ 50 centimètres l'un de l'autre, mais chacun dans la ligne de mire de la caméra. Un motif en "X" était à 55 centimètres de l'objectif, et un motif "II" était à 4 centimètres de la lentille. En réorganisant précisément l'optique, en partie, en plaçant l'objectif entre les deux miroirs, ils ont façonné la lumière de manière à ce que chaque aller-retour crée un nouveau grossissement en une seule acquisition d'image. De cette façon, c'est comme si la caméra zoomait à chaque aller-retour. Quand ils ont tiré le laser sur la scène, le résultat était deux séparés, images focalisées, créé d'un seul coup—le motif en X capturé lors du premier aller-retour, et le modèle II capturé lors du deuxième aller-retour.

Les chercheurs ont ensuite fait la démonstration d'une caméra multispectrale (ou multicolore) ultrarapide. Ils ont conçu deux miroirs réfléchissant les couleurs et un miroir à large bande, l'un réglé pour refléter une couleur, se rapprocher de l'objectif, et un accordé pour refléter une deuxième couleur, éloigné de l'objectif. Ils ont imagé un masque avec un "A" et un "B, " avec le A illuminait la deuxième couleur et le B illuminait la première couleur, les deux pendant quelques dixièmes de picoseconde.

Lorsque la lumière a voyagé dans la caméra, longueurs d'onde de la première couleur immédiatement réfléchies dans les deux sens dans la première cavité, et l'heure a été chronométrée par le capteur. Longueurs d'onde de la deuxième couleur, cependant, traversé la première cavité, dans la seconde, retardant légèrement leur temps au capteur. Parce que les chercheurs savaient quelle longueur d'onde frapperait le capteur à quel moment, ils ont ensuite superposé les couleurs respectives sur l'image - la première longueur d'onde était la première couleur, et la seconde était la deuxième couleur. Cela pourrait être utilisé dans les caméras de détection de profondeur, qui n'enregistrent actuellement que l'infrarouge, dit Heshmat.

Une caractéristique clé du papier, Heshmat dit, est-ce que cela ouvre des portes pour de nombreuses conceptions optiques différentes en ajustant l'espacement des cavités, ou en utilisant différents types de cavités, capteurs, et lentilles. « Le message principal est que lorsque vous avez un appareil photo rapide, ou possède un capteur de profondeur, vous n'avez pas besoin de concevoir l'optique comme vous le faisiez pour les anciens appareils photo. Vous pouvez faire beaucoup plus avec les optiques en les regardant au bon moment, " dit Heshmat.