MegaX, première caméra qui capte la plus petite particule de lumière

La caméra MegaX © 2020 EPFL

La caméra MegaX © 2020 EPFL

Des scientifiques de l’EPFL, en collaboration avec Canon, ont conçu une caméra capable de capturer des images 3D à une vitesse et une résolution record

« J’en rêvais depuis longtemps. MegaX est l’apogée de plus de quinze ans de recherche dans le domaine des diodes d’avalanche à photon unique (SPAD) qui est une technologie de capteur d’image de nouvelle génération », se réjouit Edoardo Charbon, professeur et directeur du laboratoire Advanced Quantum Architecture à l’EPFL. Et pour cause, avec son équipe il a conçu la toute première caméra à un million de pixels. Une première mondiale. La recherche est publiée dans la revue Optica.

Une étoile filante

Ce qui fait la spécificité de cette caméra est sa capacité à capturer et compter la plus petite particule de lumière qui soit : le photon. L’œil humain ne peut le distinguer. Il ne perçoit que le faisceau continu qu’est la lumière lorsqu’on allume un pointeur laser par exemple. MegaX filme le parcours de chaque photon qui compose la lumière. En vidéo, on voit le photon unique qui se déplace, telle une étoile filante. « Pour observer chaque photon bouger, il a fallu réduire la vitesse 300 millions de fois », explique le professeur.

Mais ce n’est pas tout. Ultra rapide, MegaX peut capter jusqu’à 24 000 images par seconde. À titre de comparaison, les films au cinéma sont composés de 24 images par seconde. Cette caméra combine également trois atouts essentiels : elle possède une dynamique énorme, peut produire une représentation en trois dimensions et la segmenter en profondeur. Le tout en même temps. « Grâce à sa haute résolution et sa capacité de détection, MegaX pourrait être utilisée dans des applications impliquant la réalité virtuelle et augmentée », explique Edoardo Charbon.

Reconstruction d’images 3D

Concrètement, comment cela fonctionne-t-il ? « La caméra capture des photons uniques puis les convertit en signaux électriques qui sont stockés dans une mémoire numérique », explique le professeur de la Faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur. Le processus de captation prend une nanoseconde, soit un milliardième de seconde.
La caméra peut également calculer le moment précis où un photon frappe son capteur. Ainsi, ces données servent à déterminer la durée exacte que met un photon entre l’objet et la caméra, et donc la profondeur. « Cela s’appelle le temps de vol. Ce dernier, combiné à la possibilité de capter un million de pixels simultanément, permet une reconstruction d’images 3D extrêmement rapide », révèle Edoardo Charbon.

Du clair et du sombre

L’exemple de la photo illustrant une vue depuis un bureau s’avère parlant. Avec une caméra standard, les endroits où il y a beaucoup de lumière sont saturés. Idem pour le sombre. L’œil n’aperçoit que du blanc ou du noir. Cependant, MegaX est capable de montrer des objets très foncés et très clairs sur le même plan. « On peut énormément augmenter la dynamique, ce qui n’est pas possible avec une caméra en haute définition », déclare le professeur.

Cette technologie sera-t-elle bientôt à la portée de tous ? « Pas pour le moment », répond Edoardo Charbon. Le principal frein est la taille du pixel. Dans une caméra traditionnelle, il mesure 0,9 micron. Avec MegaX, il est dix fois plus grand, soit 9 microns. « D’ailleurs, nous travaillons déjà à la prochaine génération de pixels de 2,2 micromètres », ajoute-t-il.
« Le but de mes recherches n’est pas forcément d’adapter le modèle MegaX à une caméra conventionnelle, mais créer une caméra 4D (3 dimensions plus le temps) avec le plus de pixels possible afin d’obtenir une résolution plus importante », indique le professeur.

Financement

Swiss National  Science Foundation (Grant#: 166289) et Canon Inc.


Auteur: Valérie Geneux
Source: EPFL