La camera ultime...

J'avais lu quelques bribes sur le sujet en avril 2020, mais je n'avais pas eu le temps de creuser le sujet... 

Voici un capteur (passé du concept à la réalité) assez démentiel en soi :

https://www.osapublishing.org/DirectPDFAccess/042146F6-B7DD-9F8B-C8E75F00EF937E6D_430188/optica-7-4-346.pdf?da=1&id=430188&seq=0&mobile=no

Son objectif actuel concerne les usages dans tous domaines ou le TOF est utile (3D, ghost imaging, LIDAR, etc...) 
Et c'est ce domaine qui "pousse" la recherche...

Mais, en soi : il faut revenir à sa capacité de base, pouvoir "capturer" le vol d'un photon individuel...
Elle capture 24000 photos/sec...  

Et donc, on peut voir le "vol" d'un photon... Il faut ralentir les images pour le voir 

Voici l'exemple pratique en 6.4 ns (soit pendant 300.000 * 0.0000000064 = 1.92 m au max (car on n'est pas dans l'espace) ) 


Revenons à la base : 
- le capteur capture physiquement deux photons (pixel A et B)
- via un photosite de 9.4µm
- et un taux de remplissage de 7% et 13%
- à une vitesse (Binary photon counting images) de 24,000 fps (maximum), soit 25 Gbps !

Evidemment, le cas d'utilisation actuel est fort limité, avec l'emploi de lumière calibrée comme source d'exposition
et on ne fait que survoler (sur 18bits) la dynamique disponible, y compris les possibilités liées...

Pour les passionnés, lire le PDF... 

Mais en fait, je reviens à la notion principale... 
Pensez à ce qu'aurait pu penser Einstein, Heisenberg, Dirac, et j'en passe... 

Si on leur avait dit que, au XXIème siècle, capture le vol d'un photon, sous sa forme corpusculaire
(on l'a figé via l'image) était devenu une réalité relativement banale... Il suffit d'un capteur sur-vitaminé.

La vitesse de la lumière personnifiée... Sans roue dentée... 
Ici, on peut même voir "arriver" le photon vers soi, avant qu'il ne vous touche...

Donc : porteur d'une information qui n'existe encore dans aucun référentiel du côté récepteur.

Ce qui laisse réveur... Un exemple parmi d'autres : 

Si le capteur occuperait exactement le côté d'un cube... 
- que chaque photon arrivant sur la surface soit détecté...
- qu'une source soit capable d'émettre, exactement de l'autre côté, un photon identique à celui arrivé

Qu'est-ce qui arrive à l'objet "illuminé" lorsqu'on le regarde par l'arrière ? 

Et si on met quelque chose au centre du cube ? 

Impressionnant !

Je n'arrive pas a charger le PDF, mais je me poses deux trois questions. 

- Le phénomène dure à prori que 6.4ns, Or la caméra ne capture qu'à 24 000 fps soit : 1/24 000= 42ns entre deux images. Donc comment identifier le photon ? ne devrait-on pas voir une trainée tel un laser ? Y a-t-il un traitement ou un acquisition fréquentielle pour permettre un tel résultat ? Car du coup ce n'est pas vraiment observer "un aller/retour d'un photon".

-Seconde interrogation: si on parle bien d'un photon. Comment la caméra dans une autre direction que celle de propagation peut-elle voir quelque chose ? car sur l'image présentée on dirait une espèce de diffusion du photon (comme si le milieu était phosphorescent). Mais il s'agit peut-être d'une image de présentation.

Ahah, quelqu'un qui se casse la tête pour comprendre... ! 

Quand j'ai lu l'intro en Avril de cette année, je me suis aussi posé pas mal de questions...
Mais je n'avais pas le temps de creuser.

Puis récemment j'ai revu un article mettant une SPAD en action (celui-ci),



Les SPAD (single-photon avalanche diode) sont clairement le nouveau jouet de la recherche... 
Et suis donc retourné sur le sujet... Un article sur une SPAD publié dans OPTICA qui parlait de :

"We present a 1 Mpixel single-photon avalanche diode camera featuring 3.8 ns time gating and 24 kfps frame rate, fabricated in 180 nm CMOS image sensor technology. We designed two pixels with a pitch of 9.4 µm in 7 T and 5.75 T configurations respectively, achieving a maximum fill factor of 13.4%. The maximum photon detection probability is 27%, median dark count rate is 2.0 cps, variation in gating length is 120 ps, position skew is 410 ps, and rise/fall time is <550ps, all FWHM at 3.3 V excess bias. The sensor was used to capture 2D/3D scenes over 2 m with resolution (least significant bit) of 5.4 mm and precision better than 7.8 mm (rms). We demonstrate extended dynamic range in dual exposure operation mode and show spatially overlapped multi-object detection in single-photon time-gated time-of-flight experiments."

Le PDF est atteignable via https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-4-346

Evidemment, deux phénomènes sont à combiner : le temps de lecture et l'amplitude de détection... 
On n'en est qu'au debut, on vise "promising for scalable photon counting image sensors toward sub-100-ps timing resolution".

Premier usage, mode "standard" (addition de photons)


Donc, ici, cible illuminé avec 50 Lx (ce qui est beaucoup), exposition 2 sec, 24K fps (donc 48K f = 1 image),
addition de 16320 images (soit plus de 783M frames additionnés...) pour atteindre 14bits de dynamique...

Cela laisse déjà rêveur sur les performances et usages possibles dans des domaines de haute définition et
énergie ... 

Dans l'article originel, on rajoute ensuite les performances atteignables en TOF (Time of Flight), on ne va pas plus
loin. 

Ensuite, on en parle dans : 
[url=https://www.photonics.com/Articles/Photon-counting_Camera_Captures_3D_Images_with/a65730#:~:text=A megapixel camera%2C based on,150 million times per second.]https://www.photonics.com/Articles/Photon-counting_Camera_Captures_3D_Images_with/a65730#:~:text=A%20megapixel%20camera%2C%20based%20on,150%20million%20times%20per%20second.[/url]

https://scitechdaily.com/megax-the-first-camera-to-capture-the-smallest-particles-of-light/

Puis pour "illustrer" cette catégorie de caméra, les images fournies dans les articles sont évocatrices pour la technique, 
mais pas pour "l'idée" qui sous-entend les implications...

Donc, j'ai pris le raccourci de "montrer" une expérience qui a été publié dans Nature dans la même période...

https://www.nature.com/articles/ncomms7021

 

  
"(a) A laser pulse is reflecting off multiple mirrors, passing three times across the field of view of the SPAD camera (35 × 35 cm2). The same laser is used to create a trigger sent to the camera. The SPAD camera collects scattered photons from the laser pulse. The field of view does not contain the mirrors because the scattered light coming from the mirror surfaces is much more intense than the Rayleigh-scattered light during propagation. (b) The histogram indicates the time of arrival of the laser pulse as measured by pixel (22, 21). The time frames, shown at 0, 1, 2, 3 and 4 ns, show the evolution of the pulse in time as it propagates across the scene. The integration of all frames gives the total path followed by the light, similarly to what can be acquired by an EMCCD camera at maximum gain for an exposure time of 7 s." 

Mais ici... la SPAD (même concept) est d'un type différent :

"32 × 32-pixel array that has single-photon sensitivity and acquires time information with a resolution of 67 ps, which provides the ability to freeze the motion of light with a blurring of only a few centimeters".

Tu as donc ton explication : ici, la capture se fait en 67ps... Et non pas en 42ns... 

Donc, deux aspects :
- illustrer la capacité du concept SPAD : l'image de la capture du vol de photons est plus explicite... 
- illustrer la taille atteinte par une SPAD récente (1Mpix à 24fps) : j'aurai du mettre la mire...

Le vol de photon est le plus "imaginatif" de ce que l'on pourra faire dans le futur avec ce type de caméra, quand on aura 1Mpix à quelques ps
(ce qui est annoncé dans l'article)... Mais cela demande une capacité de calcul non négligeable... 

Et voici pour toutes les explications... 
Tu remarqueras que j'avais fait le calcul sur la distance, pas la fréquence de capture. 

Et... Imagine, en exercice de pensée... Ce qu'aurait donné comme choc, pour Newton ou Einstein l'image (reproductible) d'un "vol de photons" dans l'espace...

De nos jours, on se banalise de tout, car on l'accepte en disant "Ah Wais, marrant" et on passe à l'autre image d'un chat qui joue avec une pelote ("mignon", d'ailleurs)...

Mais dès que je réfléchis à simplement : "on peut voir, relativement clairement, un groupe de photons passer devant soi"....

C'est là que je trouve que l'on a fait quelques progrès, et qu'on peut recommencer à se poser des questions amusantes... 

Et si tu intègres les aspects quantiques de la nature du photon, cela devient passionnant.

Merci pour les explications! 
En ultra bref: on a donc une caméra avec un temps d'exposition ultra court (67 ps) et une précision temporelle du moment de la capture tout aussi précis. Ensuite on ne capture pas un photon (comme je l'avais mal compris) mais une impulsion d'un laser. On observe donc la diffusion de Reyleigh de cette impulsion. Il reste que si la caméra est limitée à 24 000 fps (soit 42ns entre chaque poses) il faut envoyer plusieurs impulsion et décaler son moment de capture pour retracer le trajet. 

La technologie reste remarquable!

Bonjour  a tous,

je travaille dans la techno TOF (plutôt côté software) , je peux vous certifier que le photon counting est une chose réelle, des SPD (single photon detector) sont utilisés a cet effet.
La dualité corpuscule-onde c 'est un concept enseigné a l' époque (peut être encore maintenant ?) pour simplifier mais il s'agit en réalité une manifestation du principe d'incertitude Heisenberg. 
L"onde " en question ne distribue pas l'énergie du photon de manière uniforme sur sa "surface" de contact avec le récepteur (telle une vague de l’océan s'écrasant sur la plage par exemple) mais bien a un endroit bien précis. L'Onde est une distribution de probabilité de présence car on ne connait pas la localisation du photon avant de l'avoir mesuré (même si il avance en ligne droite ...)
Mais bon comme le dirait Richard Feyman , personne ne comprend vraiment la physique quantique.


h t t p s : / /
theconversation.com/explainer-what-is-wave-particle-duality-7414

"personne ne comprend vraiment la physique quantique"... 

A qui le dis-tu, je me suis laissé convaincre de faire une intro sur le sujet... 
Et on me demande la suite !
(j'ai dit que je ferai cela en 2021 ou 22, si j'ai survécu au COVID !  )

@ davidoux: Oui la dualité corpuscule/onde est toujours d'actualité, de Broglie avait lié la fréquence de l'onde multipliée par la constante de Planck à l'énergie corpusculaire du photon, permettant de justifier les bilans d'énergie.
Tu as raison aussi pour Heisenberg qui, en étudiant la précision d'observation a été amené à son principe d'incertitude. (pour rappel: si on mesure la précision de position d'un satellite par exemple, avec tous les photons recueillis on arrive à +/- 10^-20m, donc super précis mais si on veut observer la position d'un électron (microscope atomique) on arrive à une précision de 10^-15m c'est exactement la dimension de l'atome, on ne sait donc pas où il est).
La naissance de la physique quantique a démarré quand Einstein a enfin admis l'expansion de l'univers 
(1932) grâce aux travaux de Lemaître et de Sitter mais il restait l'inflation inventée pour justifier les résultats des températures quasi uniformes et que les physiciens contestent encore maintenant.
Les résultats théoriques d'Heisenberg et les travaux de Bohr et Schroedinger (violemment opposés aux idées d'Einstein) ont imposé une étude statistique des vitesses et positions faite à partir des quanta et des sauts d'énergies quantifiées (physique quantique...).
En résumé les deux théories (relativité et quantique) tiennent bien la route dans leur domaine. L'expérience faite en 1960 a donné un avantage à la physique quantique mais Einstein (mort en 1955) et Bohr (1958 je crois) n'ont pas pu en profiter.
Quant à Feyman il reste le meilleur pédagogue de son époque mais sa remarque signifiait surtout le problème pour tout physicien d'accepter que la nature ne peut pas être dirigée par "conditions initiales donnant une réponse unique et bien déterminée".
Mais ce serait trop long à résumer le chemin suivi qui amène actuellement à la théorie des cordes (Sherks et Hawking) ou à la quantification de la gravité (Aurélien Barrau).

Cela n'a sans doute pas grand intérêt ici mais la dualité corpuscule-onde résout le problème du comportement observé où des photons donnent un résultat  similaire à celui d'une onde.
C'est de Broglie qui a expliqué le premier cette dualité.
Il ne faut pas confondre avec la loi d'incertitude de Heisenberg.
Heisenberg l'a démontrée en deux pages A4 de calculs et c'est en accord parfait avec le fait qu'on ne peut pas savoir la position et la vitesse en même temps avec précision.
Mathématiquement " erreur de position multipliée par erreur de vitesse" est plus grande qu'une certaine grandeur connue. 
Les conséquences de ces lois physiques et bien d'autres ont construit les théories astronomiques et c'est pour cela qu'il est bon de connaître un peu de théorie pour comprendre les rudiments de l'astronomie.
Enfin ce n'est que mon avis ...