Uma nova câmera que grava vídeos em velocidades recordes de até 100 bilhões de quadros por segundo em 3D foi demonstrada por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos. O feito foi possibilitado por uma técnica conhecida como fotografia ultrarrápida compactada estéreo-polarimétrica single-shot (SP-CUP), e se baseia no trabalho anterior do grupo – incluindo uma câmera que tira imagens a 70 trilhões de quadros por segundo, o que é rápido o suficiente para ver a viagem da luz. O dispositivo mais recente pode ser importante para a biomedicina, agricultura, eletrônica e outros campos que dependem de imagens ópticas rápidas e de alta dimensão.
Para obter imagens dos processos que ocorrem na velocidade da luz, os pesquisadores precisam de taxas de quadros no nível de um bilhão de quadros por segundo (Gfps). Isso está muito além da velocidade de leitura até mesmo dos dispositivos de carga acoplada (CCD) mais avançados e sensores semicondutores de óxido de metal complementar (CMOS) usados na maioria das fotografias ultrarrápidas modernas. Embora dispositivos de intervalo de quadro subnanosegundos tenham sido desenvolvidos, sua baixa profundidade de sequência (ou seja, um baixo número de quadros capturados por aquisição) significa que eles não podem ser usados para imagens de objetos luminescentes e seletivos de cor, como estrelas distantes e moléculas bioluminescentes.
Processos de geração de imagens de alta velocidade em várias dimensões apresentam desafios adicionais. A maioria dos sistemas de imagens ópticas de alta dimensão adquire dados por varredura – ou seja, eles capturam uma coluna unidimensional (1D) ou uma fatia bidimensional (2D) de um objeto em medições separadas. Combinando uma série de tais medidas, esses sistemas podem construir imagens de dimensões superiores do objeto. Esta abordagem tem suas desvantagens, no entanto, com a principal delas sendo que as medições sucessivas na série precisam ser muito precisas para que a imagem multidimensional seja “costurada” corretamente.
Combinando técnicas anteriores
Para superar isso (e outros problemas inerentes), os especialistas em imagens se voltaram para as técnicas de imagens ópticas CUP de alta dimensão de disparo único. Esta forma de aquisição de imagem opera em paralelo e melhorou a eficiência do CUP a tal ponto que um desdobramento conhecido como imagem temporal de disparo único está criando uma onda de interesse na comunidade de imagem óptica. Usando essa técnica, é possível capturar o tempo de chegada de um fóton sem medições repetidas – uma façanha até então difícil de alcançar que poderia ajudar os cientistas a entender melhor fenômenos fugazes na física, química e biologia que são difíceis ou impossíveis de reproduzir.
A técnica de fotografia ultrarrápida compactada estéreo-polarimétrica de disparo único (SP-CUP) desenvolvida por Lihong Wang e colegas combina muitas dessas técnicas anteriores em um único dispositivo. A combinação de detecção comprimida, imagem em faixa (uma abordagem de imagem ultrarrápida 1D tradicional), espectroscopia e polarimetria produz um dispositivo de imagem ultrarrápido passivo de disparo único que pode capturar fenômenos não repetíveis que evoluem em 5D (três dimensões espaciais, mais tempo e o ângulo da polarização linear da luz refletida) com resolução temporal de picossegundos.
Como visão humana
Na visão de Wang, a nova câmera de sua equipe “vê” mais como os humanos. “Quando olhamos para o mundo ao nosso redor, percebemos que alguns objetos estão mais próximos e outros mais distantes”, explica. “Essa percepção de profundidade é possível porque nossos dois olhos observam objetos e seus arredores de um ângulo ligeiramente diferente. As informações dessas duas imagens são combinadas pelo cérebro em uma única imagem 3D.”
O dispositivo SP-CUP funciona essencialmente da mesma maneira e, como os humanos, ele enxerga em estéreo. “Embora a câmera tenha apenas uma lente, ela funciona como duas metades que fornecem duas visualizações com um deslocamento”, diz Wang. “Dois canais no dispositivo imitam nossos olhos.” Além disso, ele observa que a câmera de seu grupo tem uma habilidade que nenhum ser humano possui: ela pode sentir a polarização das ondas de luz.
Ferramenta poderosa
Wang acredita que a combinação do SP-CUP de imagens tridimensionais de alta velocidade e o uso de informações de polarização o torna uma ferramenta poderosa que pode ser aplicável a uma ampla variedade de problemas científicos. Uma área de interesse particular é a física da sonoluminescência, um fenômeno no qual as ondas sonoras criam pequenas bolhas na água ou em outros líquidos. Conforme as bolhas colapsam rapidamente após a formação, elas emitem uma explosão de luz.
“Algumas pessoas consideram este um dos maiores mistérios da física”, diz Wang. “Quando uma bolha colapsa, seu interior atinge uma temperatura tão alta que gera luz. O processo que faz isso acontecer é muito misterioso porque tudo acontece muito rápido, e estamos nos perguntando se nossa câmera pode nos ajudar a descobrir isso.”
Publicado em 14/11/2020 01h53
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