Hollywood tiene que usar trucos para mostrar a los espectadores haces de láser viajando por el aire. Y eso es porque los haces se mueven demasiado rápido como para que el cine pueda capturarlos. Ahora, una cámara que graba fotogramas a una velocidad de 0,6 billones por segundo puede capturar el sinuoso camino real de un pulso láser.

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El sistema lo han desarrollado investigadores dirigidos por Ramesh Raskar en el Media Lab del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT en sus siglas en inglés). Ahora mismo la cámara, que está limitada a lo que sucede sobre una mesa del laboratorio, puede grabar lo que ocurre cuando pulsos de luz de láser muy cortos -que duran solo 50 femtosegundos (50.000 billonésimas de segundo)- golpean objetos situados delante de ellos. La cámara registra los pulsos rebotando entre objetos y reflejándose en ellos.

Raskar asegura que la nueva cámara podría usarse para nuevas formas de imaginería médica, siguiendo la luz dentro de los tejidos corporales. También podrá permitir nuevas formas de manipulación fotográfica. En experimentos realizados hasta la fecha la cámara ha capturado imágenes de unos 500 por 600 píxeles de tamaño.

Las cámaras científicas más rápidas del mercado graban imágenes a unos pocos millones de fotogramas por segundo. Funcionan de forma parecida a una cámara de uso doméstico, con un sensor de luz que convierte la luz que llega a la lente en una señal digital que se almacena en un disco.

Los investigadores de Media Lab tuvieron que utilizar un enfoque distinto, afirma Andreas Velten, miembro del equipo. El tiempo de reacción de un sistema electrónico es de aproximadamente 500 picosegundos, explica, porque las señales electrónicas tardan demasiado en viajar a lo largo de los cables y a través de los chips en esos aparatos. “[Nuestra velocidad de obturación] es un poco menor a dos picosegundos porque detectamos la luz con una cámara streak (un instrumento que se usa para medir la variación del pulso en la intensidad de la luz a lo largo de un periodo de tiempo), que solventa el problema eléctrico”.

Las cámaras streak se suelen usar para medir el ritmo de los pulsos de láser, no para la fotografía y no necesitan de electrónica para grabar la luz. La luz que entra en una cámara streak cae sobre un electrodo especializado (un fotocátodo) que convierte la corriente de fotones en una corriente equivalente de electrones. Ese haz de electrones golpea una pantalla en la parte de atrás de la cámara que está cubierta con químicos que se encienden donde toque el haz. Es el mismo mecanismo con el que funcionan las televisiones catódicas tradicionales.

Como las cámaras streak solo pueden ver una franja muy estrecha de una escena a la vez, el sistema del MIT usa espejos para construir la imagen completa. Una cámara digital convencional captura las imágenes de la parte de atrás de la cámara streak y éstas son recopiladas por software en el resultado final. Cada imagen capturada por la cámara digital registra solo una pequeña fracción del recorrido del haz visible para la cámara streak.

Un resultado de este diseño es que los vídeos grabados por el equipo muestran la secuencia de eventos mientras un pulso de láser va rebotando, pero no muestran el destino de un único pulso de luz. Más bien, capturan una secuencia de instantáneas de las acciones de muchos pulsos de luz sucesivos gracias a la sincronización entre los pulsos y la cámara. “Necesitamos un suceso repetible para crear una imagen o vídeo”, añade Velten.

Eso contrasta con la que es conocida como “la cámara más rápida del mundo”, un sistema presentado en 2009 por un grupo de investigación de la Universidad de California, Los Ángeles (EE.UU.) que captura 6,1 millones de fotogramas por segundo y tiene una velocidad de obturación de 163 nanosegundos, comparados con los 1,7 picosegundos de la del grupo del MIT.

Como el sistema del MIT solo graba hechos que suceden en un ciclo regular, hay límites para su aplicación, pero Velten afirma que ralentizar el normalmente inobservable movimiento de la luz sigue siendo algo valioso.

Una aplicación posible sería la creación de un nuevo tipo de imágenes médicas que Velten y Raskar denominan “ecografía con luz”. Eso implicaría disparar pulsos de láser a los tejidos y usar la capacidad de la cámara para registrar los movimientos de la luz bajo una superficie para conocer las estructuras y otra información que resulta invisible para la iluminación y las cámaras normales. El potencial de esto puede verse en los vídeos del grupo, explica Velten. “Se pueden ver reflexiones teniendo lugar y la luz moviéndose por debajo de la superficie de los objetos”.

El grupo de investigación del MIT ya había usado un sistema parecido para recoger imágenes de objetos que estuvieran a la vuelta de una esquina, rebotando un láser alrededor del ángulo y capturando cualquier luz que regresara.

Srinivasa Narasimhan, profesor de la Universidad Carnegie Mellon (EE.UU.) que investiga en fotografía computacional, dice que el sistema de imágenes rápidas del MIT es “increíble”. Sostiene que físicos y químicos podrían usarlo para sacar imágenes de hechos y reacciones muy breves, o para refinar nuestra comprensión de la interacción de la luz con los objetos. “Sabemos desde hace mucho cómo simular la propagación de la luz”, afirma. “Ahora podemos ver la luz propagarse de verdad e interactuar con la escena en cámara lenta para verificar estas cosas. Ver es creer”.

Como la cámara del MIT puede ver exactamente cómo interactúa la luz con una escena, también puede recoger información en 3-D que se podría usar para llevar a cabo novedosas formas de manipulación fotográfica, asegura Velten. “Cuando tienes esa información añadida sobre una escena, puedes hacer cosas como cambiar la iluminación de una foto después de sacarla”, sostiene. La start-up Lytro lanzó hace poco una cámara que graba el camino que sigue la luz para poder hacer trucos parecidos.

La impresionante velocidad alcanzada por el MIT viene acompañada por un tamaño considerable: el montaje de la cámara cubre el espacio de un banco, con el láser ocupando el espacio inferior. Pero Velten explica que el láser que han usado tiene más de una década de vida y podría reemplazarse por uno del tamaño aproximado de un ordenador de sobremesa. Añade que hay investigaciones en marcha para encoger todo el sistema al tamaño de un portátil.

Velten afirma que ahora mismo el equipo de investigación está centrado en hacer que el sistema sea más compacto, identificando aplicaciones concretas y aumentando el tamaño de las imágenes que recoge. Aumentar la velocidad es algo que no está en su lista de prioridades, explica. “Ya estamos viendo cómo se mueve la luz, no hay ninguna necesidad de ir más rápido”, concluye Velten.