Кадры представляют собой нечто среднее между призрачным и банальным: крошечный лазерный импульс прослеживается через узор коробки, как будто движется через неоновую вывеску на витрине. Но этот пульс - это нечто большее, чем кажется на первый взгляд, больше, чем образец, за которым следует глаз, и для него нет подходящей метафоры. Это довольно просто и четко представляет собой полную вспышку света - последовательность импульсов с передней и задней частью - зафиксированную на неподвижном изображении в середине полета.

Инженеры-электрики и эксперты по оптике из Лаборатории передовой квантовой архитектуры (AQUA) в Невшателе, Швейцария, сделали этот отснятый материал в прошлом году, в разгар пандемии, с помощью однофотонной лавинной диодной камеры или SPAD. Его твердотельные фотодетекторы способны с очень высокой точностью измерять время и, следовательно, расстояние, даже когда отдельные пиксели поражаются отдельными световыми частицами или фотонами.

Эдоардо Charbon и его коллеги из швейцарской Федеральной политехнической школы Лозанны, работающие с камерой производитель Canon, смогли в конце 2019 года , чтобы разработать массив SPAD в мегапиксельном размере в небольшой камере они назвали Mega X . Он может разрешить один миллион пикселей и очень быстро обработать эту информацию. 

Группа AQUA под руководством Чарбона, в которую на тот момент входили лауреат премии в области нанотехнологий  Казухиро Моримото , Минг-Ло Ву и Андрей Арделин, синхронизировала Mega X с фемтосекундным лазером. Они запускают лазер через аэрозоль водяного пара, сделанный с использованием сухого льда, приобретенного в магазине для вечеринок. 

Фотоны попадают в капли воды, и некоторые из них разлетаются в сторону камеры. Благодаря сенсору, обеспечивающему мегапиксельное разрешение, камера может снимать 24 000 кадров в секунду с выдержкой всего 3,8 наносекунды.

Фотодетекторы, используемые в Mega X, разрабатывались несколько десятилетий. Действительно, устройства формирования изображения SPAD можно найти в камерах смартфонов, промышленных роботах и ​​лабораторной спектроскопии. Видеозаписи, снятые в лаборатории Невшателя, называются «свет в полете». Рамеш Раскар из Массачусетского технологического института в 2010 и 2011 годах использовал полосовую камеру - своего рода камеру, используемую в химических приложениях - для создания 2D-изображений и создания пленок света в полете в том, что он назвал фемтофотографией . 

Развитие визуализации света в полете восходит, по крайней мере, к концу 1970-х годов, когда Нильс Абрамсон из Стокгольмского Королевского технологического института использовал голографию для записи фронтов световых волн . Женевьева Гариепи, Даниэле Фаччио и другие исследователи, работавшие в Эдинбурге в 2015 году, использовали SPAD, чтобы показать кадры света в полете . На создание первых изображений «свет в полете» ушло много часов, но камера Mega X может сделать это за несколько минут. 

Мартин Зурек , фотограф-фрилансер и консультант из Баварии (он выполняет 3D-лазерное сканирование и измерения с помощью дронов для архитектурных и ландшафтных проектов), вспоминает, как много часов работал над фемтосекундной спектроскопией для своей докторской диссертации по физике в Мюнхене в конце 1990-х годов. Когда Зурек смотрит световые кадры AQUA, он впечатлен разрешением в местоположении и времени, которое открывает размеры изображения. «Самое интересное, насколько короткими вы можете делать световые импульсы», - говорит он. «Вы наблюдаете что-то фундаментальное, фундаментальное физическое свойство или процесс. Это должно поражать нас каждый день ».

Потенциальное использование мегапиксельных камер SPAD может заключаться в более быстром и детальном трехмерном сканировании ландшафтов и крупных объектов с дальностью света при картографировании, производстве факсимильных сообщений и записи изображений. Например, мегапиксельная технология СПАД может значительно улучшить визуализацию LiDAR и моделирование такого рода проделанной Factum Фондом в своих исследованиях гробнице египетского фараона  Сети I .

Фаччио, который сейчас работает в Университете Глазго, использует визуализацию SPAD для получения более качественных изображений клеточного метаболизма при флуоресцентной микроскопии с временным разрешением . Как и группа Raskar из Массачусетского технологического института, Фаччио надеется применить эту технологию для визуализации человеческого тела.

Исследователи AQUA смогли наблюдать в своих кадрах астрофизический эффект, называемый сверхсветовым движением , который является иллюзией, сродни эффекту Доплера. Только в этом случае наблюдателю кажется, что свет ускоряется, чего он на самом деле сделать не может, поскольку он уже движется со скоростью света.

Мысли Чарбона более приземленные. «Это похоже на обычную камеру, за исключением того, что в каждом пикселе можно увидеть каждый фотон», - говорит он. «Это поразило меня. Именно поэтому я и занялся этим исследованием ».