Dünyanın En Hızlı Kamerası Saniyede 100 Milyar Kare Çekiyor >> Görünmezlik pelerini & optik kuantum bilgisayarlar
Sinema seyircileri hızlı çekim kameralara 30 yıl önce alıştı. O zamanlar internet yoktu ama belgesellerde kırmızı elmayı delen merminin yavaş çekimdeki hareketini izleyebiliyorduk. Bütün bunlar saniyede binlerce kare görüntüleyen ilk hızlı çekim kameralar sayesinde gerçekleşti.
Ardından Discovery Channel’da yayınlanan Efsane Avcıları (Mythbusters) belgeseli geldi ve Adam ile Jamie’nin aşırı ısıtarak havaya uçurduğu su kazanlarını veya pencere camı (!) atarak kafasını kopardığı balistik jel mankenlerin ölüm anını yavaş çekimde izleme olanağına kavuştuk. 🙂
Ancak sıradaki gelişme saniyede 100 milyar kare çeken hiper kamera: Bu kamera öyle hassas ki neredeyse tek tek fotonları hareket halinde iken görüntüleyebiliyor.
Gerçi hiper kameralar bizi görsel efektlere boğan Hollywood filmlerine ek avantaj sağlamıyor; ama bu kameralar ile DNA’nın sentezlenmesini, hücrelerin içindeki protein üretimini ve ilaçların hastalıklı dokulara erişimini naklen izleyebiliriz.
Hiper kameralar ilaç geliştirmekten klinik deneylere, kök hücre tedavisinden sentetik biyoloji ile nanoteknolojiye ve nihayetinde optik kuantum bilgisayarlarla görünmezlik pelerini geliştirmeye kadar pek çok alanda fayda sağlayacak.
Hiper kamerayla ne yapabiliriz?
Darthmouth Koleji’nden mühendis Brian Pogue’a göre pek çok şey: “Uzay Yolu’nun popülerleştirdiği bu araştırma alanı gerçek bir teknoloji disiplini oldu. Örneğin günümüzde görünmezlik pelerini ve hayalet uçak gibi araştırma sahalarında önemli ilerlemeler kaydediyoruz. Ancak ışık ışınları ile görünmez olmasını istediğimiz nesne arasındaki hassas etkileşimi hiper yavaş çekimde görüntüleyemediğimiz için işimiz zorlaşıyor.”
Peki bu kamera nasıl çalışıyor? Öncelikle teknik adı Sıkıştırılmış Ultra Hızlı Fotoğrafçılık (CUP) olan yeni kamera Washington Üniversitesi, St. Louis’de araştırmalarını sürdüren Lihon Wang tarafından geliştirildi.
Yapay kurbağa gözü
Süper hızlı kameralar hızla yanıp sönen lambaların ışık yoğunluğunu ölçmek gibi yüksek hassasiyet gerektiren işlemlerde kullanılıyor. Streak camera teknolojisini baz alan hiper kameranın içindeki sensör ve aynalar da süper hızlı hareket ediyor ve bu sayede lazer ışınlarını yavaş çekimle videoya kaydedebiliyor.
Nitekim hiper kameralar heavy metal konserlerinde sahneyi süslemekte kullanılan lazer ışınlarının bile yavaş çekimde videoya alınmasına imkan veriyor ve bu açıdan bakıldığında biraz da kurbağa gözünü andırıyor. Her ne kadar bu kameranın ışığa doğru dönen mekanik bir parçası olmasa da kameranın sensörü, objeyi aydınlatan ışığın izlediği yolu önündeki uçan sineğe kilitlenen çevik kurbağa gözü gibi takip edebiliyor.
CUP’ın lazer radardan farkı
Öncelikle CUP hedefi lazer ışınlarıyla aydınlatan aktif bir sistem değil. Sadece görüntülediği objeden yansıyan ışığı süper yavaş kaydeden pasif bir cihaz. Bu sebeple de Google’ın büyükşehirlerin 3B haritasını çıkarmakta kullandığı lazer radarlardan (lidar) çok daha az enerji tüketerek çalışıyor. Tam olarak nasıl çalıştığına gelince:
CUP kameranın merceğinden giren ışık huzmelerini oluşturan fotonlar önce ışın ayracından geçiyor (ışın demeti ayırıcısı). Ardından bu fotonlar çok küçük aynalarla kaplı olan kalın bir merceğin içinden geçiyor (tüp mercek).
Hiper kamera bu aşamada fotonları elektronlara dönüştürüyor ve fotonlara ait görüntü verisini de elektronik devrelere aktarıyor. Böylece ışığın aldığı yolu (ışığın yönü) ve bu sırada geçen süreyi ölçerek ışığın hareketini son derece detaylı olarak kaydediyor. Ancak standart bir kameranın tersine bu işlem saniyede 100 milyar kere tekrarlanıyor.
Sonuçta fotonlar saniyede 300 bin km hızla değil de saniyede 300 metre hızla gidiyormuş gibi yavaş çekimde kayda alınıyor. Ardından ham veriyi işleyen özel bir bilgisayar yazılımı bu kareleri Youtube’da izleyebileceğimiz yavaş çekim videolara dönüştürüyor.
Devrimsel değil, evrimsel
Önceki kameralar da saniyede 1 milyar kare çekebiliyordu ama bunu tek boyutlu olarak yapıyordu; yani ya fotonun aldığı yolu görebiliyor ya da fotonun bir yerden bir yere ne kadar sürede gittiğini kaydedebiliyordu. Yeni hiper hızlı kamera ise hem yolu hem de süreyi kaydederek gerçek zamanlı çekim yapabiliyor. Üstelik bunu önceki modellerden çok daha hızlı ve tek seferde yapıyor.
Kısacası CUP sisteminin eski model hiper kameralarda olduğu gibi hedefi aydınlatan fotonların yolunu ve o yolu kat etme süresini tek tek ölçmek için çok sayıda ardışık çekim yapması gerekmiyor. Nature dergisinin yayınlandığı çizimler yeni kameranın çalışma prensibini gösteriyor.
Optik kuantum bilgisayarlar
Dikkatli okurların fark edebileceği gibi bu teknoloji ışıkla çalışan optik kuantum bilgisayarlar geliştirmekte de kullanılacak. Çünkü bu sistem tek tek fotonlara veri kaydedebilen gelecek kuşak optik bilgisayar teknolojisinin önünü açıyor.
Süper hassas kameralar yakın gelecekte insan hücrelerindeki protein sentezleme süreçlerini de gerçek zamanlı olarak (naklen) videoya kaydedecek. Böylece insanlar da mikroskobik dünyaya yepyeni bir gözle bakmaya başlayacaklar.
Saniyede 100 milyar kare çeken kamera: Aynadan yansıyan ışık
1Gao L, Liang J, Li C, Wang, LV. Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second. Nature. Dec. 4, 2014.
