۱۳۹۴/۰۷/۰۶

عکس‌برداری از حرکت نور

برای تماشای بیشتر پدیده‌های جوی و کیهانی (از حرکت ابرها و ستارگان در آسمان گرفته تا تحولات مربوط به ستارگان دگردیس (variables) و یا حتی نواخترها و بسیاری موارد دیگر) به گونه‌ای که امکان تماشای کل پدیده را در مدت زمان کوتاهی داشته باشیم (از چند ثانیه تا چند دقیقه)، از شگردی استفاده می‌شود که در عکاسی به نام «تصویربرداری گاه‌گذر» شناخته می‌شود. در مقابل، برای تماشای پدیده‌های که بدلیل سرعت بالای رخدادشان (در کسری از ثانیه)، چشمان ما انسان‌ها ناتوان از درک تمام جزئیات آنها می‌باشد (پدیده‌هایی همچون رعد و برق)، باید از فن‌آوری تصویربرداری بهره جست که امکان تماشای «صحنه آهسته»-‌ی رویداد را برای ما فراهم آورد.
معروف‌ترین عکس Harold Edgerton از یک گلوله در حال گذر از درون یک سیب. این تصویر در سال ۱۹۶۴ با مدت زمان نوردهی در حدود یک میلیونیم ثانیه گرفته شده است. Edgerton از این تصویر در سخنرانی خود در MIT استفاده کرد و گفت: "چگونه سس سیب درست کنیم"! عکس‌های دیگری که ایشان گرفنتد را در اینجا ببینید.

نخستین بار این Harold Edgerton از استادان رشته‌ی مهندسی برق دانشگاه MIT بود که به کمک روش ابداعی خود (تاباندن پرتوهای متعدد نور در هر ثانیه) امکان ثبت پدیده‌هایی از این دست را فراهم آورد. امروزه برای تهیه تصاویر صحنه آهسته، از دوربین‌هایی استفاده می‌شود که با ثبت تعداد بسیار زیادی نما در هر ثانیه (fps)، امکان تماشای پدیده‌های برق‌آسا را به ما می‌دهند. دسترسی به چنین دوربین‌هایی به سرعت در حال فراگیر شدن می‌باشد. برای نمونه، شرکت Apple نیز در کنار بسیاری از شرکت‌های سازنده‌ی دوربین‌های عکاسی و فیلم‌برداری، مدتیست که محصولاتی را روانه بازار کرده است که به دوربین‌هایی مجهز شده‌اند که در هنگام فیلم‌برداری تا ۲۴۰ نما در هر ثانیه را ضبط می‌کنند. اگر صاحب یکی از این محصولات باشید، بی‌شک پدیده‌های پیرامون خود را می‌توانید بسیار جذاب‌تر از حالت عادی مشاهده کنید.

با این حال، برای مشاهده‌ی صحنه آهسته‌ی پدیده‌ای که با سرعتی سرسام‌آور روی داده است، مانند سفر یک گلوله‌ی شلیک شده در هوا، محصولات Apple و بیشتر دیگر دوربین‌های موجود در بازار پاسخگو نمی‌باشند. برای این کار به دوربینی که دست‌کم توانایی ضبط ۱۰۰۰۰ نما را در هر ثانیه داشته باشد، نیاز داریم. برای نمونه با فرض اینکه سرعت سیر یک گلوله نزدیک به ۳۰۰ متر در ثانیه باشد، به کمک ثبت این تعداد نما خواهیم ‌توانست، این گلوله را آنچنان که با سرعتی برابر با تنها ۳ سانتی‌متر در ثانیه در حال سفر می‌باشد، تماشا کنیم.

حال تصور کنید که هدف بعدی دوربین پیشرفته‌ی ما تماشای پدیده‌ای باشد که بنا بر یک باور عمومی پذیرفته شده، دارای بیشترین سرعت در جهان می‌باشد: نور! اگر صاحب چنین دوربینی باشیم، اینکه تصور کنیم می‌توانیم با دوربین چند هزار دلاری خود، سفر پرتوی نور و نحوه‌ی برخورد آن با اجسام را تماشا کنیم، سراسر اشتباه است! فراموش نکنیم که سرعت نور یک میلیون برابر سرعت گلوله‌ی فرضی ما می‌باشد. ضمن آنکه، برای دیدن ذرات نور یا همان فوتون‌های در حال حرکت از روش متفاوتی بایستی استفاده کرد. به هنگام ثبت حرکت یک گلوله، تنها یک گلوله شلیک می‌شود و نور بازتابیده از آن توسط دوربین ثبت می‌شود. در واقع نیازی به شلیک مسلسل‌وار گلوله‌های بسیار نمی‌باشد. در حالی که برای دیدن فوتون‌های نور، نیاز است که امواج نور (حامل فوتون‌ها) که میلیون‌ها بار فرستاده (یا به بیان دیگر: شلیک) می‌شوند، آشکار شوند.

حتی بدون در نظر گرفتن تفاوت عکس‌برداری از یک جسم در حال حرکت و نور، برای آنکه بتوان حرکت پرتوی نور را به کندی حرکت گلوله (۳ سانتی‌متر در هر ثانیه) تماشا کرد، شرکت‌های سازنده‌ی باید دوربین‌های خود را تا جایی ارتقاء دهند که توانایی ثبت صد میلیون نما در هر ثانیه را داشته باشند! خوشبختانه، فناوری موجود، امکان ساخت چنین دوربینی را می‌دهد. در سال ۲۰۱۱ (نزدیک به شصت سال پس از تصاویری که Edgerton در همین دانشگاه ثبت کرد)، گروهی از‌ پژوهشگران آزمایشگاه رسانه‌ای دانشگاه MIT به سرپرستی Ramesh Raskar روشی را ابداع کردند که به کمک آن نه تنها صد میلیون که بیش از ده هزار برابر آن یعنی‌ ۱ تریلیون (۱۰۰۰ میلیارد) نما در ثانیه را می‌توان مشاهده کرد.

تجهیزات مربوط به عکس‌برداری فوق‌سریع
در این روش که پژوهشگران آن را «عکس‌برداری Femto» یا به عبارتی «عکس‌برداری فوق‌سریع» نام‌گذاری کرده‌اند،‌ از یک دستگاه آشکارساز با دقت ثبت یک نمای تک بعدی (خط) در هر پیکو-ثانیه (پیکو: ۱۲-۱۰) در کنار تابش پرتوی لیزر با بسامد یک فمتو-ثانیه (فمتو: ۱۵-۱۰) و بازسازی دو بعدی تصویر به کمک روابط ریاضی استفاده می‌شود. به کمک یک دستگاه تولید کننده‌ی لیزر تیتانیوم سافایر، پرتوی نوری به پهنای تقریبی یک میلیمتر، برای تنها یک تریلیونیوم (۱۲-۱۰) ثانیه ایجاد خواهد شد. برای آشکار کردن فوتون‌های ساطع شده، از یک وسیله‌ی ویژه به نام لوله‌ی نواری که مانند یک نوسان‌سنج رفتار می‌کند، استفاده می‌شود. از لوله‌ی نواری در شیمی و زیست‌شناسی برای مشاهده‌ی اجسام بسیار ریز استفاده می‌شود و از آن به ندرت در فضای آزاد استفاده می‌شود. در این دستگاه، موج مغناطیسی نور از میان یک شکاف باریک وارد لوله‌ی نواری می‌شود. این شکاف باریک، اجازه‌ی ورود امواج نور را تنها در یک جهت می‌دهد. سپس، موج نور در جهت عمود به گونه‌ای تاوانده می‌شود که فوتون‌هایی که زودتر وارد دستگاه شده باشند در موقعیت متفاوتی در مقایسه با فوتون‌هایی که دیرتر وارد شده‌اند، به آشکارساز برخورد کنند. با این توضیح، به کمک لوله‌ی نواری، امواج نور را تنها در یک بعد می‌توان مشاهده کرد. به همین دلیل، پژوهشگران با استفاده از یک آینه که در کنار محل مورد نظر قرار داده شده‌است، می‌توانند تصاویر تک بعدی متعددی را تهیه کرده و سپس به کمک یک الگوریتم عددی، این تصاویر را با یکدیگر ترکیب کنند. به این ترتیب، در تصویر دو بعدی بدست آمده، پرتوی نور به شکل نواری که در حال حرکت می‌باشد، دیده خواهد شد. در فیلم زیر که مدت زمان فیلم‌برداری آن یک نانو-ثانیه (نانو: ۹-۱۰) می‌باشد، حرکت نور در یک بطری و یا نحوه‌ی پدید آمدن سایه‌ی یک گوجه فرنگی بر روی دیوار پس از تابیده شدن نور به آن به زیبایی نشان داده می‌شود.

نحوه‌ی عملکرد سامانه‌ی CORNAR برای مشاهده‌ی اجسام خارج از دید مستقیم

Ramesh Raskar، مدیر این پژوهش، در ابتدای یک سخنرانی‌ دیگر (TED) ، این نکته را نیز یادآور شد که از این روش همچنین می‌توان برای ساخت دوربین‌هایی بهره جست که ما را قادر به دیدن گوشه و زوایایی می‌کند که به شکل مستقیم از دید ما پنهان می‌باشند، قابلیتی که تا پیش از این تنها در داستانی تخیلی نمود پیدا کرده بود. این فناوری CORNAR نامگذاری شده است. وی همچنین از دیگر کاربردهای احتمالی این فناوری در آینده به امکان مشاهده‌ی اعضای داخلی بدن انسان بدون استفاده از اشعه‌ی ایکس اشاره کرد.

سال پیش نیز پژوهشگران دو دانشگاه در ژاپن، دستگاهی را ساختند که ۴/۴ تریلیون نما را با تفکیک‌پذیری ۰/۲ مگاپیکسل (۴۵۰×۴۵۰ پیکسل) در هر ثانیه ثبت می‌کند. به کمک این دوربین می‌توان پرتوی نور را در حالی که با سرعت کمتر از یک میلیمتر در ثانیه در حال سفر می‌باشد، مشاهده کرد. اگر بتوان دوستان ژاپنی را راضی کرد که دوربین خود را چند روزی به ما قرض بدهند، به کمک یک میکروسکوپ قدرتمند اتمی، می‌توان از نوسانات تناوبی اتم‌های درون یک ماده‌ی کریستالی تصویربرداری کرد؛ کاری که پژوهشگران ژاپنی به کمک دوربین خود از عهده‌ی انجام آن برآمده‌اند. آنها همچنین به کمک دوربین خود موفق به ثبت تصاویری از انتقال حرارت شده‌اند؛ پدیده‌ای که با سرعت یک ششم سرعت نور روی می‌دهد.