MegaX — первая камера для захвата мельчайших частиц света

Ученые EPFL, работающие совместно с Canon, разработали камеру, которая может снимать 3D-изображения с рекордной скоростью и разрешением.

«Это то, о чем я давно мечтал», — говорит Эдоардо Чарбон, профессор EPFL и руководитель лаборатории усовершенствованной квантовой архитектуры в Технической школе EPFL. — «MegaX является кульминацией более чем 15-летних исследований однофотонных лавинных диодов (SPAD), которые являются фотоприемниками, используемыми в технологии датчиков изображения нового поколения». И у Чарбона есть веские основания для гордости, поскольку он и его исследовательская группа разработали первую в мире камеру с разрешением в миллион пикселей. Их результаты были только что опубликованы в Optica.

Падающая звезда

Отличительной особенностью их камеры является то, что она может захватывать и подсчитывать самую маленькую форму легкой частицы: фотон. Фотоны невидимы для человеческого глаза; мы можем видеть только непрерывные пучки фотонов, подобные тем, которые используются в лазерных указках. Но MegaX может снимать траектории отдельных фотонов в лучах света. Когда они показаны в виде видео, они выглядят как падающие звезды. «Нам пришлось снизить скорость пленки в 300 миллионов раз, чтобы увидеть движение отдельных фотонов», — говорит Чарбон.

Но это еще не все. MegaX чрезвычайно быстр и может принимать до 24 000 изображений в секунду. Для сравнения, фильмы снимаются со скоростью 24 кадра в секунду. MegaX также имеет три других важных преимущества: он имеет очень большой динамический диапазон, может создавать трехмерные представления и может выполнять глубокую сегментацию этих представлений — и все это одновременно. «Благодаря высокому разрешению и расширенным возможностям обнаружения, — говорит Чарбон, — MegaX можно использовать в приложениях, которые включают виртуальную и дополненную реальность».

Восстановление 3D-изображений

Так как именно работает камера? «Она захватывает отдельные фотоны и преобразует их в электрические сигналы, которые хранятся в цифровой системе памяти», — говорит Чарбон. Процесс захвата фотонов занимает всего одну наносекунду или 1 x 10-9 секунд. Камера также может точно определить, когда фотон попадает на датчик, и измерить, сколько времени понадобилось фотону, чтобы пройти между объектом, который его испустил, и камерой, и, следовательно, рассчитать это расстояние. «Это время называется временем полета», — объясняет Чарбон. — «Возможность рассчитать его и одновременно захватить миллион пикселей — это то, что позволяет камере генерировать 3D-изображения очень быстро».

Светлый и темный

Мы можем видеть, насколько поразительным является эффект, когда мы смотрим на пример изображения, снятого из офиса. При использовании стандартных камер очень светлые и очень темные области на снимке насыщаются — наши глаза видят только черный и белый. Но с MegaX мы можем видеть как светлые, так и темные объекты одинаково хорошо. «MegaX позволяет существенно увеличить динамический диапазон, намного превосходя возможности камеры высокого разрешения», — говорит Чарбон.

Так скоро мы сможем прийти в магазин и купить MegaX? «Не сейчас», — говорит Чарбон. Основным препятствием является размер пикселя. Обычная камера имеет размер пикселя 0,9 мкм, но размер пикселя в MegaX в десять раз больше и составляет 9 мкм. «Наша команда уже работает над MegaX следующего поколения с размером пикселя 2,2 мкм», — добавляет Чарбон. — «Наша цель — не обязательно заставить MegaX работать как обычная камера, а создать 4-мерную камеру» — три стандартных измерения плюс время — «с максимально возможным количеством пикселей для достижения более высокого разрешения».