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”.