Článek
„Je to jako rentgenový snímek, ale bez rentgenových paprsků,“ přirovnal možnosti kamery Ramesh Raskar z obrazového oddělení slavného Massachussettského technologického institutu (MIT), kde prototyp vznikl.
„My jsme ale šli na problém oklikou, a to doslova,“ dodal. Vývoj začal před třemi lety. Když Raskar s myšlenkou přišel, starší kolegové ho zrazovali. Několik studentů ale nápad nadchnul a práce se rozeběhly. Výhledově má sloužit průzkumu, záchranářům a robotům. Srdcem přístroje, který ale zatím zabírá celou menší místnost, je femtosekundový laser, zdroj světla o vysoké intenzitě, který je schopen generovat záblesky trvající pouhou jednu femtosekundu (fs – biliardtina sekundy, tj. tisícina bilióntiny sekundy).
První pokus neplatí
Laserový záblesk se v osvětleném prostoru rozptýlí a odrazí od všech povrchů, včetně stěn a podlahy. Je-li zkoumaný prostor členitý, tedy jsou v něm místa „za rohem“, odražené světlo pronikne i tam. A jako pingpongový míček se odráží dál, až „zpoza rohu“ doputuje zpátky ke kameře s přijímacím senzorem.
K tomu, aby senzor odražené paprsky správně zachytil a interpretoval, je důležité jeho časové nastavení. Na rozdíl od klasického (i digitálního) fotoaparátu zůstává závěrka senzoru při samotném záblesku zavřená. Kdyby byl senzor otevřený, přijal by jen první vysoce intenzívní odraz, tedy obraz toho, co je v přímém pohledu, proto se otevírá až se zpožděním.
Tento způsob snímkování, označovaný jako časové hradlo, je běžně používán vojenskými kamerami při leteckém průzkumu nad terénem porostlým stromy. Kamera tak nezaznamená první silné vracející se paprsky, které se odrazily od listů, ale až ty následné, přinášející – slabší – obraz předmětů pod korunami stromů.
Důležitý je odraz
„Snímáme vlastně až slábnoucí ozvěny odraženého světla,“ vysvětlil Raskar podstatu nového přístroje. Ten se od klasické kamery liší ještě v jednom ohledu snímání – registruje nejen intenzitu a pozici světelných paprsků, dopadajících zpátky do senzoru, ale zaznamenává i čas příchodu světla pro každý pixel generovaného obrazu. To mu umožňuje vypočítat i délku dráhy každého paprsku. „Je to něco jako letecká kamera na steroidech,“ přiblížil Raskar možnosti zařízení, umocněné známými podpůrnými prostředky nedovoleného dopingu.
Na podobném principu pracuje LIDAR, kamera používaná na kosmických sondách a také při vytváření trojrozměrných modelů budov a ulic v projektu globálních internetových map Google Street View.
Zařízení musí vyslat během zlomku sekundy celou sérii laserových záblesků, aby tímto postupem mohlo zaznamenat detaily zobrazované scény. Každý záblesk je přitom vyslán pod mírně odlišným úhlem. „Potřebujeme kolem tuctu záblesků, ale čím víc, tím lépe,“ dodal Raskar.
Následuje zpracování dat. K tomu se využívají komplexní algoritmy, stejné jako v lékařské zobrazovací technice CAT – centrální axiální (osová) tomografie, která pomocí opakovaného snímkování rentgenovými paprsky vytváří trojrozměrný hloubkový obraz lidského těla.
„Obdobně jako CT vidí dovnitř těla, i naše zařízení dokáže snímáním odrazu různě nasměrovaných záblesků vytvořit obraz toho, co je mimo přímou linii pohledu,“ pokračoval ve vysvětlování Raskar.
Prototyp byl zatím odzkoušen jen v umělých laboratorních podmínkách. Raskar a jeho tým jsou přesvědčeni, že najde široké uplatnění, i když původně byl myšlen jako pokročilý nástroj pro endoskopii, lékařské vyšetření tělních dutin. Ten by měl být k dispozici do dvou let.
„Nabízí se řada možností dalšího využití tohoto postupu. Až jednou bude k dispozici zařízení v přenosném provedení, bude možné s ním dělat spoustu zajímavých věcí,“ shrnul Raskar.
Jestliže se blíží doba, kdy bude možné vidět za roh, nepřekvapí, že vědci slibně pokročili i v naplnění prastarého snu o neviditelnosti.
Neviditelné už je na dohled
Fyzikální princip pohádkové „čapky nevidimky“ je už teoreticky objasněný: stačí přimět světlo, aby se od skrývaného předmětu neodrazilo, ale sklouzlo kolem něj. To dokáže tzv. metamateriál, cíleně směrující odražené světlo jinam, než by kázaly fyzikální zákony.
Problém je v tom, že světlo může být takto manipulováno jenom takovým materiálem, jehož rozměry jsou blízké elektromagnetickému vlnění o délce vlny v rozmezí 400 až 800 nm (nanometr – miliardtina metru). Už v minulých letech se podařilo vytvořit metamateriál, schopný „oklamat“ infračervené světlo. To má ale delší vlny (760 nm až 1 mm) a lidské oko ho není schopné rozeznat, takže taková neviditelnost není „to pravé“.
Letos na podzim ale skotští vědci v časopise New Journal of Physics oznámili, že zkonstruovali pružný metamateriál pro viditelné světlo.
„Nejdůležitější bylo dokázat si představit, že to je vůbec možné,“ uvedl zprávu Andrea Di Falco z Univerzity sv. Ondřeje. „Museli jsme se oprostit od běžného postupu a místo pevné, ploché nanostruktury z několika vrstev vytvořit pružnou polymerovou membránu.“
Materiál, pojmenovaný Metaflex, není vidět lidským okem. Vědci ho považují za průlom v nanotechnologii a lékaři si od něj slibují novou generaci kontaktních čoček, navracejících vidění. Pro ty, kdo touží po neviditelnosti, ale Di Falco neměl dobrou zprávu: podle něj zatím není jasné, nakolik si Metaflex unikátní optické vlastnosti zachová, až se vytvaruje do podoby pomyslného neviditelného pláště.