Olika vyer av ett 3D-utskrivet objekt fångat av en enda kamera med hjälp av en kupolformad uppsättning speglar. Till vänster:Den råa bilden. Till höger:närbilder av några av de enskilda vyerna. Kredit:Sanha Cheong/SLAC National Accelerator Laboratory
När det går online kommer MAGIS-100-experimentet vid Department of Energys Fermi National Accelerator Laboratory och dess efterföljare att utforska naturen hos gravitationsvågor och söka efter vissa typer av vågliknande mörk materia. Men först måste forskare ta reda på något ganska grundläggande:hur man får bra fotografier av atommolnen i hjärtat av deras experiment.
Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory insåg att uppgiften kanske skulle vara den ultimata övningen inom fotografering med ultralågt ljus.
Men ett SLAC-team som inkluderade Stanford-studenterna Sanha Cheong och Murtaza Safdari, SLAC-professorn Ariel Schwartzman och SLAC-forskarna Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar och Joseph Frish hittade ett enkelt sätt att göra det:speglar. Genom att arrangera speglar i en kupolliknande konfiguration runt ett objekt kan de reflektera mer ljus mot kameran och avbilda flera sidor av ett objekt samtidigt.
Och teamet rapporterar i Journal of Instrumentation , det finns en extra fördel. Eftersom kameran nu samlar in vyer av ett objekt taget från många olika vinklar, är systemet ett exempel på "ljusfältsavbildning", som fångar inte bara ljusets intensitet utan också i vilken riktning ljusstrålarna rör sig. Som ett resultat kan spegelsystemet hjälpa forskare att bygga en tredimensionell modell av ett objekt, till exempel ett atommoln.
"Vi avancerar avbildningen i experiment som MAGIS-100 till det nyaste avbildningsparadigmet med detta system," sa Safdari.
En ovanlig fotografisk utmaning
Den 100 meter långa Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor, eller MAGIS-100, är en ny typ av experiment som installeras i en vertikal axel vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory. Känd som en atominterferometer, kommer den att utnyttja kvantfenomen för att upptäcka passerande vågor av ultralätt mörk materia och fritt fallande strontiumatomer.
Experimentörer kommer att släppa ut moln av strontiumatomer i ett vakuumrör som löper längs skaftet och sedan lysa laserljus på de fritt fallande molnen. Varje strontiumatom fungerar som en våg, och laserljuset skickar var och en av dessa atomvågor till en superposition av kvanttillstånd, varav en fortsätter på sin ursprungliga väg medan den andra sparkas mycket högre upp.
Datorstödda designritningar av prototypspegelenheten. Systemet omdirigerar ljus från många olika vinklar mot en enda kamera, ett exempel på ljusfältsavbildning som gör att forskare kan rekonstruera tredimensionella modeller av objekten de fotograferar. Kredit:Sanha Cheong/Stanford University
När de återkombineras skapar vågorna ett interferensmönster i strontiumatomvåg, liknande det komplexa mönstret av krusningar som uppstår efter att ha hoppat över en sten på en damm. Detta interferensmönster är känsligt för allt som ändrar det relativa avståndet mellan paren av kvantvågor eller atomernas inre egenskaper, vilket kan påverkas av närvaron av mörk materia.
För att se interferensmönstren kommer forskare bokstavligen att ta bilder av ett moln av strontiumatomer, vilket kommer med ett antal utmaningar. Strontiummolnen i sig är små, bara cirka en millimeter i diameter, och detaljerna som forskare behöver se är cirka en tiondels millimeter i diameter. Själva kameran måste sitta utanför en kammare och titta genom ett fönster över en relativt lång sträcka för att se strontiummolnen inuti.
Men det verkliga problemet är lätt. För att belysa strontiummolnen kommer experimentörer att lysa med lasrar på molnen. Men om laserljuset är för intensivt kan det förstöra detaljerna som forskarna vill se. Om det inte är tillräckligt intensivt blir ljuset från molnen för svagt för att kamerorna ska kunna se.
"Du kommer bara att samla så mycket ljus som faller på linsen," sa Safdari, "vilket inte är mycket."
Speglar till undsättning
En idé är att använda en bred bländare, eller öppning, för att släppa in mer ljus i kameran, men det finns en avvägning:En bred bländare skapar vad fotografer kallar ett smalt skärpedjup, där bara en smal del av bilden är i fokus.
En annan möjlighet skulle vara att placera fler kameror runt ett moln av strontiumatomer. Detta skulle kunna samla in mer av det återutsända ljuset, men det skulle kräva fler fönster eller alternativt passa in kamerorna inuti kammaren, och det finns inte mycket utrymme där för ett gäng kameror.
Lösningen dök upp, sa Schwartzman, under en brainstormingsession i labbet. När de studsade idéer runt, kom personalforskaren Joe Frisch på idén om speglar.
"Vad du kan göra är att reflektera ljuset som reser bort från molnet tillbaka in i kameralinsen," sa Cheong. Som ett resultat kan en kamera samla inte bara mycket mer ljus utan också fler vyer av ett objekt från olika vinklar, som var och en visar sig på det råa fotografiet som en distinkt fläck på en svart bakgrund. Den samlingen av distinkta bilder, insåg teamet, innebar att de hade utarbetat en form av så kallad "ljusfältsavbildning" och kanske skulle kunna rekonstruera en tredimensionell modell av atommolnet, inte bara en tvådimensionell bild.
SLAC-forskare testade den färdiga prototypen i labbet med hjälp av ett litet 3D-utskrivet objekt, precis synligt på bilden ovan vid skärningspunkten mellan två små ledningar. Kredit:Sanha Cheong/Stanford University
3D-utskrift av en idé
Med stöd från ett laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsbidrag tog Cheong och Safdari spegelidén och körde med den och designade en rad små speglar som kunde omdirigera ljus från hela ett atommoln tillbaka mot en kamera. Med hjälp av någon algebra och ray-tracing-mjukvara utvecklad av Kagan och Vandegar, beräknade teamet precis rätt positioner och vinklar som skulle göra det möjligt för spegeln att hålla många olika bilder av molnet i fokus på kameran. Teamet utvecklade också datorseende och algoritmer för artificiell intelligens för att använda 2D-bilderna för att utföra 3D-rekonstruktion.
Det är sånt som kan verka självklart i efterhand, men det krävdes mycket eftertanke att uppnå, sa Schwartzman. "När vi först kom på det här tänkte vi "Folk måste ha gjort det här förut", sa han, men i själva verket är det nytt nog att gruppen har ansökt om patent på enheten.
För att testa idén gjorde Cheong och Safdari en mock-up med en 3D-tryckt ställning som håller speglarna och tillverkade sedan ett mikro-3D-tryckt fluorescerande objekt som stavar ut "DOE" när det ses från olika vinklar. De tog en bild av föremålet med sin spegelkupol och visade att de faktiskt kunde samla ljus från ett antal olika vinklar och hålla alla bilder i fokus. Dessutom var deras 3D-rekonstruktion så exakt att den avslöjade ett litet fel i tillverkningen av "DOE"-objektet – en arm på "E" som böjdes något nedåt.
Nästa steg, sa forskarna, är att bygga en ny version för att testa idén i en mindre atominterferometer vid Stanford, som skulle producera de första 3D-bilderna av atommoln. Den versionen av spegelkupolen skulle sitta utanför kammaren som innehåller atommolnet, så om dessa tester är framgångsrika skulle teamet sedan bygga en version av rostfritt stål av spegelställningen som är lämplig för vakuumförhållandena inuti en atominterferometer.
Schwartzman sa att idéerna som Cheong, Safdari och resten av teamet utvecklade kunde vara användbara bortom fysikexperiment. "Det är en ny enhet. Vår applikation är atominterferometri, men den kan vara användbar i andra applikationer", sa han, till exempel kvalitetskontroll för tillverkning av små föremål i industrin. + Utforska vidare
