Immagine: Heriot Watt University

La velocità del vostro grazioso shutter DSLR non ha più nessuna chance: un team di ricercatori sta lavorando allo sviluppo di una videocamera che può catturare immagini—video, per essere precisi—alla velocità della luce. Ciò la rende la più veloce videocamera al mondo, e ha l’interessante capacità di poter vedere gli oggetti dietro gli angoli. 

Ho avuto occasione di vedere la videocamera alla Summer Science Exhibition della Royal Society, dove Jonathan Leach della Heriot Watt University ha spiegato che questo dispositivo è abbastanza veloce da vedere i singoli fasci di luce che si muovono nello spazio. Come dimostrazione, guardate questa immagine di un raggio laser che ho scattato con il mio smartphone. Il laser sembra una linea verde statica che rimbalza sulla superficie e che si incrocia con se stessa, per come appare all’occhio umano. 

La videocamera, tuttavia, vede il raggio laser che si muove attraverso l’aria quando la luce rimbalza da una superficie all’altra. Questo è un frammento del video che la videocamera ha catturato di quello stesso raggio laser: 

Quelli che vedete qui sono 15 miliardi di frame al secondo, con un periodo di esposizione di 67 picosecondi (un picosecondo corrisponde a un millesimo di miliardesimo di secondo). 

Ma come è possibile che una videocamera veda dietro gli angoli? Non stiamo parlando di installare il sensore dietro un angolo e farlo funzionare con il giusto orientamento, come succede con le pistole smart; la videocamera dovrebbe essere in grado di rilevare un oggetto nascosto dietro un muro senza che questo sia fisicamente nella sua prospettiva. È un obiettivo simile a quello raggiunto dalla videocamera progettata dal MIT, ma funziona in un modo un po’ diverso, e Leach confida nel fatto che saranno in grado di farlo funzionare a breve. 

Riesce a vedere dietro gli angoli grazie alla registrazione della luce proiettata che si diffonde dall’oggetto nascosto alla vista. Immaginiamo che ci sia una persona dietro l’angolo: il laser rimbalza su qualsiasi superficie disponibile (come un muro) e la colpisce, poi la luce rimbalza indietro seguendo la stessa traiettoria. Il sensore a 32 x 32 pixel della videocamera—quella parte che sembra un francobollo dorato—è super-sensibile, e ogni pixel può individuare i singoli fotoni che gli tornano indietro.

Degli algoritmi nel computer riescono a capire dove l’oggetto si trova nello stesso tempo che serve ai fotoni per fare il tragitto avanti e indietro. Come i ricercatori spiegano nel video, viene avviato un “timer” per ogni pixel non appena l’impulso luminoso si allontana dal laser, e si ferma quando il fotone torna indietro. Dato che la luce di diffonde in modo diverso da ciascun oggetto, si può arrivare a capire che cosa sia—nel nostro esempio, una persona.. 

“Un essere umano o un cane o un’auto hanno una marchio unico che la nostra videocamera può rilevare,” afferma Leach. 

Il team ha già effettuato delle simulazioni sulla capacità della videocamera di vedere dietro gli angoli e il prossimo passo sarà fare dei test in laboratorio. Leach ha spiegato che funziona meglio al buio, dove la traiettoria del laser non viene disorientata da fotoni smarriti provenienti da altre fonti, e che il segnale è più forte se proviene da grandi oggetti bianchi, e se il materiale su cui il laser rimbalza per raggiungere l’oggetto è un buon diffusore di luce. 

“Se il muro su cui rimbalza il laser non fosse un muro ma uno specchio sarebbe tutto molto più facile,” ha affermato.

Ma anche se molti fotoni potrebbero non riuscire a tornare indietro verso la videocamera, “non c’è bisogno di molti fotoni per capire quanto una cosa sia lontana,” ha detto Leach. 

Le applicazioni vanno dagli ovvi usi militari per le operazioni di ricerca e di soccorso, in cui la videocamera potrebbe rilevare dove si trovano delle persone intrappolate in un edificio, fino all’imaging medico, per cui potrebbe permettere un nuovo tipo di endoscopia. Ha anche suggerito che un sistema del genere potrebbe essere installato sulle macchine, in modo da avvisare se un bambino sta per sbucare sulla strada quando state andando in retromarcia. 

Durante la stessa esposizione, Matthew Edgar dell’Università di Glasgow ha mostrato un altro strumento abbastanza figo: una macchina fotografica che cattura immagini usando soltanto un pixel. Nella corsa per stipare sempre più megapixel nelle macchine fotografiche in commercio, l’idea sembra abbastanza controintuitiva, ma Edgar ha spiegato che la macchina fotografica a un pixel è in grado di vedere i colori della luce oltre lo spettro visibile, come gli infrarossi. Il punto, ha affermato, è che molti sensori delle macchine fotografiche sono fatti di silicone, che sono ottimi per rilevare la luce visibile, ma non per rilevare altro.

La camera con un solo pixel

Dato che può vedere tutti i tipi di infrarossi (diversamente da altri strumenti), la macchina fotografica a un pixel è in grado di fare fotografie attraverso oggetti, come schermi colorati o fumo. Edgar ha fatto una foto a quello che sembrava uno schermo nero, rivelando una testa dietro di esso. Un altro beneficio dell’uso di un solo pixel è che la macchina fotografica è davvero economica se confrontata con i molti tipi di strumenti a infrarossi che si trovano sui telescopi delle agenzie spaziali: 

Come per la videocamera di Leach, le applicazioni in campo militare sono ovvie, ma è in grado anche di scattare foto di gas—per rilevare fuoriuscite di metano, per esempio—e di vedere attraverso alcuni dipinti per scovare messaggi nascosti o schizzi sulla tela. 

Il team dell’Università di Glasgow ha anche sviluppato una macchina fotografica che fa foto in 3D con un solo apparecchio, all’opposto del solito set di più macchine fotografiche. Se gli altri dispositivi ci permettono di mettere gli occhi su oggetti che altrimenti sarebbe impossibile vedere, questa ci aiuta a immaginare cosa potremmo vedere con un po’ più di realismo. 

L’unico problema è che non abbiamo ancora un mezzo per guardare immagini in 3D: per adesso è ancora necessario avere una TV e degli occhialetti.