La Femtofotografia: Il Mondo Ad Un Trilione Di Fotogrammi al secondo

Ramesh Raskar presenta la femtofotografia, un nuovo tipo di imaging così veloce da mostrare il mondo a un trilione di fotogrammi al secondo, e così dettagliato da mostrare la luce stessa in movimento.

Questa tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata per creare fotocamere che possono vedere dietro agli angoli oppure vedere dentro a un corpo senza raggi X.

La femtofotografia di oggetti macroscopici è stata realizzata per la prima volta da un gruppo di ricercatori Media Lab del Massachusetts Institute of Technology (MIT), guidato appunto da Ramesh Raskar.
In precedenza, il termine era stato usato soltanto per procedure sperimentali proposte in esperimenti di fisica nucleare.


Riporto di seguito la traduzione del testo in lingua italiana, a cura della TED translator Paola Buoso anche se il filmato è fornito di sottotitoli nella nostra lingua: Doc Edgerton ci ha sorpreso e incuriosito con questa foto di un proiettile che trapassa una mela, e un’esposizione di solo un milionesimo di secondo. Oggi, 50 anni dopo, possiamo essere un milione di volte più veloci e vedere il mondo non a un milione, o a un miliardo, ma a un trilione di fotogrammi al secondo.
Vi presento un nuovo tipo di fotografia, la femtofotografia, una nuova tecnica di imaging così veloce che può creare video al rallentatore della luce in movimento. Con tale tecnica possiamo creare macchine fotografiche che vedono negli angoli, oltre la linea dello sguardo, oppure vedere all’interno del nostro corpo senza raggi X, e sfidare lo stesso concetto di macchina fotografica.
Se prendo un puntatore laser e lo accendo e spengo in un trilione di secondo -- pari a vari femtosecondi -- creerò un pacchetto di fotoni ampi quasi un millimetro, e quel pacchetto di fotoni, quel proiettile, viaggeranno alla velocità della luce, un milione di volte più veloce di un comune proiettile. Ora, se prendete quel proiettile e questo pacchetto di fotoni e lo sparate in questa bottiglia, come si frantumano quei fotoni in questa bottiglia? Che aspetto ha la luce al rallentatore?
L’intero evento - (Applausi) 
Ricordatevi che l’intero evento sta veramente avvenendo in meno di un nanosecondo — è il tempo impiegato dalla luce per viaggiare — e in questo video lo vedete rallentato di un fattore pari a 10 miliardi per poter vedere la luce in movimento.
Coca-Cola non ha sponsorizzato questa ricerca. (Risate)
In questo filmato succedono molte cose, e ora ve le mostrerò. L’impulso entra nella bottiglia, il nostro proiettile, con un pacchetto di fotoni che inizia ad attraversarla e inizia a diffondersi all’interno. Un po’ di luce si spande sul tavolo, e si iniziano a vedere questi guizzi di onde. Molti fotoni alla fine raggiungono il tappo per poi esplodere in varie direzioni. Come vedete, c’è una bolla d’aria, e sobbalza qua e là all’interno. Nel frattempo, i guizzi passano per il tavolo, e per via dei riflessi in alto, sul retro della bottiglia, dopo vari fotogrammi, vedete i riflessi a fuoco.
Se prendete un comune proiettile, lo lasciate percorrere la stessa distanza e poi rallentate il video di nuovo di un fattore di 10 miliardi, sapete quanto tempo impiegate a vedere il filmato? Un giorno? Una settimana? No, un anno intero. Sarebbe un film molto noioso — (Risate) — di un lento, comune proiettile in movimento.
E la fotografia di nature morte?
Potete vedere di nuovo i guizzi che passano sul tavolo, il pomodoro e la parete sullo sfondo. È come gettare un sasso nell’acqua.
Questo è il modo in cui la natura fa foto, un fotogramma femto alla volta, ma naturalmente il nostro occhio vede un’immagine composita integrale. Se guardate ancora una volta questo pomodoro, noterete, mentre la luce lo inonda, che continua a brillare. Non si oscura. Perché succede? Perché il pomodoro è maturo, e la luce rimbalza al suo interno, e ne esce dopo qualche trilionesimo di secondo. In futuro, quando la tecnologia femto sarà incorporata nella fotocamera del vostro cellulare, sarete in grado, al supermercato, di verificare se il frutto è maturo senza toccarlo.
Come è riuscito il mio team al MIT a creare questa fotocamera? Voi fotografi sapete che con un’esposizione breve avete poca luce, ma noi andremo un miliardo di volte più veloci della vostra più breve esposizione, e quindi non ci sarà quasi luce. Quello che facciamo è inviare quel proiettile, quel pacchetto di fotoni, milioni di volte, e registrarlo ogni volta con una sincronizzazione molto intelligente, e dai gigabyte di dati che intrecciamo insieme, al computer, creiamo i video femto che vi ho mostrato.
Possiamo prendere tutti i dati non elaborati e trattarli con modalità interessanti. Così Superman può volare. E altri eroi possono diventare invisibili; e che ne dite di un nuovo potere per un supereroe del futuro: vedere dietro gli angoli. L’idea è che sia possibile far brillare un po’ di luce sulla porta. Rimbalzerà, andrà dentro alla stanza, un po’ si rifletterà sulla porta, e poi di nuovo nella fotocamera. Sfrutteremo questi diversi rimbalzi della luce.
Non è fantascienza. L’abbiamo costruita veramente. A sinistra c’è la nostra fotocamera femto. C’è un manichino nascosto dietro a quella parete, e faremo rimbalzare della luce sulla porta.
Dopo essere stato pubblicato su Nature Communications, il nostro lavoro è stato messo in risalto anche da Nature.com, dove hanno creato questa animazione.
(Musica)
Spareremo quei proiettili di luce, che andranno a sbattere contro la parete, e per via del pacchetto di fotoni, si disperderanno in tutte le direzioni. Alcuni arriveranno fino al nostro manichino nascosto, che a sua volta disseminerà quella luce, e di nuovo la porta rifletterà un po’ di quella luce disseminata; una minuscola frazione di fotoni tornerà alla fotocamera, ma la cosa più interessante, è che arriveranno tutti in slot di tempo leggermente diversi. (Musica)
Proprio perché abbiamo una fotocamera così veloce, la nostra fotocamera femto ha capacità uniche. Ha una risoluzione temporale molto buona, e può catturare il mondo alla velocità della luce. Così scopriamo la distanza dalla porta, naturalmente, ma anche dagli oggetti nascosti, ma non sappiamo a quale punto corrisponde quale distanza. (Musica)
Illuminando un laser, possiamo registrare una foto non elaborata, e se la vedete su uno schermo non ha molto senso. Poi però scatteremo molte foto come questa, decine di foto simili, le metteremo insieme, e cercheremo di analizzare i diversi rimbalzi della luce; e da lì, riusciremo a vedere l’oggetto nascosto? Potremmo vederlo tutto in 3D?
Ecco la nostra ricostruzione. (Musica) (Musica) (Musica) (Applausi)
Abbiamo ancora molto da fare prima di poter uscire dal laboratorio ma, in futuro, potremo creare macchine che evitano collusioni con qualunque cosa stia dietro l’angolo; o potremo cercare sopravvissuti in situazioni di pericolo guardando la luce riflessa attraverso le finestre aperte; oppure potremo costruire endoscopi in grado di vedere dentro al corpo, dietro alle occlusioni, e anche cardioscopi. Ma, naturalmente, a causa dei tessuti e del sangue, sarà una vera e propria sfida; quindi invito gli scienziati a iniziare a pensare alla femtofotografia come a una nuova modalità di imaging per la risoluzione dei problemi della prossima generazione di imaging medicale.
Così come Doc Edgerton, anch’egli scienziato, trasformò la scienza in arte, un’arte fotografica ultra veloce, mi rendo conto che tutti i gigabyte di dati che di volta in volta raccogliamo non servono solo per l’imaging scientifico, ma anche per una nuova forma di fotografia computazionale con time lapse e codifica di colori. Osserviamo quei guizzi. Ricordatevi che il tempo tra ognuno di quei guizzi è di solo qualche trilionesimo di secondo.
E c’è pure un risvolto divertente. Se si guardano i guizzi sotto al tappo, essi si allontanano da noi; invece dovrebbero spostarsi verso di noi. Che cosa succede?
Poiché stiamo registrando quasi alla velocità della luce, si hanno strani effetti, e, a Einstein, questa foto, sarebbe piaciuta molto. L’ordine in cui hanno luogo gli eventi nel mondo, nella fotocamera, a volte appare invertito, e se applichiamo la deformazione di tempo e spazio corrispondente, possiamo correggere tale distorsione.
Quindi che si tratti di fotografia dietro agli angoli, o della creazione della prossima generazione di imaging medicale, o di nuove visualizzazioni, dopo la nostra invenzione, sono diventati open source tutti i dati e i tutti i dettagli nel nostro sito web, e ci auguriamo che DIY, la comunità di ricerca e creatività, ci dica che dovremmo smettere con l’ossessione per i megapixel nelle fotocamere — (Risate) — e iniziare con la prossima dimensione in imaging. È venuto il momento. Grazie. (Applausi) 
Per finire, vi propongo un filmato di Nature (qui l'articolo per approfondire) in cui si vede come gli scienziati del MIT Media Lab (www.media.mit.edu/) ricostruiscono un oggetto nascosto, con la luce diffusa da un laser. Le applicazioni future potrebbero consentire di "vedere" in luoghi pericolosi o inaccessibili, come all'interno di macchinari con parti in movimento, o in zone altamente contaminate.