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Focus novus
Si sensibles…

Par Virginie Otth


La photographe Virginie Otth est partie à la découverte de nouveaux capteurs développés dans deux laboratoires de l’EPFL, les spads, single photon avalanche diode. Une technologie qui réduit l’instantané au nanonième de seconde et qui bouleverse l’image de fond en comble. Nos photographies entreront-elles demain dans la troisième dimension ? L’incroyable semble désormais à portée de puces.

C'est Hercule Florence qui la première fois, en 1834, a utilisé le mot «photographie» (littéralement: écriture de la lumière) dans ses carnets. La description qui l’accompagnait était: «une technique nouvelle de représentation du réel sensible et de reproduction d’images à l’aide de réactions chimiques à la lumière et de moyens optiques.» La chimie en moins, le réel devient encore plus sensible «aux yeux» de ces nouveaux capteurs spads. L’instantané se décline au nanonième de seconde.
Un seul photon, et le capteur réagit. Le photon, une particule ou une onde? Je ne sais plus. Je me rappelle qu’un photon est un quantum. Approches et mesures de la lumière. Tout est forcément lumière dans le monde de la photographie, et si les obscurités sont des aires de mystère et de fantasme, la nouvelle technologie des spads nous donne la possibilité d’investiguer ces zones d’ombres jusque-là invisibles sur nos capteurs. Un dilatement gigantesque de la pupille électronique est en train de se profiler à nos horizons de la représentation, et ceci non pas par l’effet des paradis artificiels, mais par la précision méthodique des chercheurs de l’EPFL. Codes en circuits, matrices de diodes, plans de réflexion, architectures d’idées nouvelles, puces qui sautent d’une dimension à l’autre, l’électronique et les diodes deviennent les sésames des zones obscures.
Je suis allée à la rencontre de deux professeurs à la pointe de cette technologie si prometteuse qu’on appelle spad (Single photon avalanche diode): le professeur Radivoje Popovic et le professeur Edoardo Charbon.
Je me suis imaginé, en les écoutant, que c’était comme si l’un travaillait sur l’élaboration de la rétine et l’autre sur la transmission des données au cerveau. C’est un peu vrai dans le principe même si Cristiano Niclass, qui travaille sur ce sujet pour sa thèse, m’explique que finalement cette analogie n’est qu’une coïncidence. En effet, ils n’ont pas cherché à reproduire notre système de perception, mais il se trouve que leurs recherches respectives s’apparentent finalement à notre appareil visuel optique.
L’équipe du professeur Popovic (Laboratoire de microsystèmes) travaille sur la conception de la photodiode, cette diode ultrasensible qui peut distinguer un seul photon.
Cet homme calme à l’œil malicieux resitue cette invention. Il me parle de la thèse d’Alexandre Pauchard et ensuite de celle d’Alexis Rochas (prix Oméga scientifique en 2004), de la transmission des connaissances des uns aux autres, des allers-retours entre les entreprises privées et les unités de recherches de l’EPFL, de sa fierté de suivre, de coordonner les travaux de doctorat de ses étudiants.
J’apprends que la nouveauté, l’invention se situe non pas dans la diode elle-même (elle existait déjà), mais plutôt dans l’utilisation d’un procédé qui permet la fabrication de puces standard à un coût très modique, c’est-à-dire la technologie CMOS (voir bas de page).
Pour cette intégration, l’équipe de chercheurs avait défié les «design rules» des «silicon foundries» auxquelles les laboratoires de recherche donnent leurs puces à construire. En effet, dans le dessin des architectures de ces puces, un certain nombre de règles sont à observer. Il y a aussi dans ces codes d’opérations possibles, qui vont fonctionner selon les règles données par les fabricants, des «informations cachées». Ces anti-données semblent faire partie du processus de découverte. Ils ont donc désobéi à ces règles pour imaginer une solution qui a permis la construction rentable de ces diodes sur une puce.
Comme quoi, défier les règles établies est encore un moyen d’inventer!
Aujourd’hui, le groupe du profes-seur Popovic se concentre sur la miniaturisation des diodes, notamment par le choix de technologies CMOS de pointe, ce qui permettra la conception d’imageurs plus efficaces et à des résolutions plus élevées, grâce à la plus grande proximité des spads.
L’équipe du professeur Edoardo Charbon (laboratoire d’architecture de processeurs), quant à elle, travaille sur la conception d’architectures de circuits intégrés adaptées aux spads. Elle conçoit la modélisation par logiciel des matrices de spads, et cherche à traiter les informations rapidement, efficacement, en optimisant le «fill factor», le rapport entre la surface sensible des spads et la surface totale de la matrice.
Edoardo Charbon s’est particulièrement concentré sur des imageurs optiques ultrarapides 2D et 3D. De ce fait, le monde qu’il aime à partager s’approche plutôt de celui de la quatrième dimension: le temps. Il imagine des applications qui font rêver. Les partenariats semblent très prometteurs.
Ce chercheur, passionné et passionnant, me parle beaucoup de la lumière dans son bureau obscurci par la pluie ce jour-là. De la manière dont les photons atteignent un capteur, un objet ou notre rétine, de l’effet Poisson, du time of (f) light (TOF), ce temps de vol de la lumière qui permet les calculs des distances pour une visualisation 3D. Toute explication se traduit en dessins, en plans sur son tableau blanc surchargé de visualisation d’idées. C’est dans l’ingéniosité de l’architecture, du trajet, des stockages de l’information que se fera la différence. Les partenariats, les applications possibles sont autant de défis qu’il relève avec brillance et pertinence.
Ces projets ont tous un goût de haute technologie futuriste et c’est d’autant plus étonnant de trouver dans son «laboratoire» une installation qui semble bricolée. Un vieil objectif Nikon est doté d’une puce à spads et d’un appareil qui visualise l’arrivée du photon en temps réel. Je retrouve avec plaisir le sujet de l’expérience, un graphique noir-blanc qui sert universellement de charte de référence pour le contraste et la netteté.
Bientôt, l’imageur dépassera les 1024 (32x32) diodes qui le configurent actuellement. Même si on peut démultiplier l’information en opérant un minimouvement latéral des diodes, le capteur ne correspond pas encore à un capteur de 16 millions de pixels comme j’aime utiliser, mais le processus est en cours.

Un rêve de photographe
Photographier la lune à une nanoseconde: un exemple caricatural qui donne immédiatement une échelle des possibles. Un capteur spad pour une caméra 2D n’est qu’une des applications envisagées, pas même la plus spectaculaire, c’est pourtant celle qui m’intéresse. J’imagine une pratique de la photographie dont les contraintes seraient fondamentalement bouleversées. En effet, l’habileté du photographe résidait jusque-là à négocier sa marge de manœuvre entre la vitesse et le diaphragme, le temps de pose et la profondeur de champ. Il fallait choisir entre la vitesse de la prise de vue et la netteté de l’image. Le grain ou le «bruit» augmentait proportionnellement à la sensibilité, rendant ainsi le médium bien trop visible. Le capteur ou le film n’était jamais assez sensible, je veux écrire par là pas aussi sensible que nos yeux.
Chacun avait ses trucs, ses petites astuces pour repousser les limites de définitions des récepteurs de réalités. Films ou capteurs, la beauté des contraintes se trouvait dans les flous et les ajouts ostentatoires de la lumière flashée, peut-être regretterons-nous les jolies conséquences de ces limitations.
La reproduction de ce que nous voyons, ou pensons voir, continue d’être une envie irrépressible. Nous serons toujours tentés par l’idée de posséder une image la plus fidèle possible d’un original fantasmatique.
Si, jusqu’à présent, la condition sine qua non d’une prise de vue était une quantité suffisante de lumière, cette donnée fondamentale est en train de changer, grâce à l’ultrasensibilité de ce capteur.
Comment la vie se représente- t-elle au nanonième de seconde, soit un billionnième de fois plus rapide que notre millième de seconde déjà époustouflant? La technologie répond-elle à notre fantasme du réel? Ou inversement, notre idée du réel se trouve-t-elle modifiée par la technologie? La définition des images du monde définira-t-elle différemment le monde? Notre conception de notre perception du monde se développe-t-elle au même rythme que la technologie?
Je crains de présumer de mes armes conceptuelles pour imaginer les possibilités de ce nouveau moyen. De toutes manières, les prévisions sont toujours périlleuses et heureusement les récupérations étonnantes.
Ces questionnements me rappellent ce «roman à plusieurs dimensions», Flatland, écrit par Edwin A. Abbott en 1884. Le personnage principal raconte aux habitants des deux dimensions ce qu’est le monde en trois dimensions et les habitants le prennent pour un fou.
Comment imaginer la représentation d’un monde sans se référer à notre technologie? Chaque nouveauté technologique a d’abord cloné l’ancienne, en «l’améliorant», nous ne pouvons faire autrement que d’inventer à partir d’un langage connu, d’un système de représentation établi.
Suivons-nous une ligne logique d’amélioration d’une performance? Parfois c’est l’erreur ou l’accident qui nous mène à la découverte d’une nouvelle perception ou d’une nouvelle technique, exactement comme dans le processus créatif artistique. Mais dans ce cas, cette découverte fait partie d’un processus, simplement le pas est spectaculaire.
Comment imaginer la représentation d’un monde sans se référer à nos représentations antérieures du monde?
C’est particulièrement ces questions-là qui m’intéressent. J’ai l’impression que cette technologie peut bouleverser notre représentation du monde, dans cette dimension qui est le temps et j’ai très envie d’y prendre part (en tous les cas en pensées).
Nouvelle technologie, nouvelles images? Il me revient sans cesse en tête cette idée de la «première image», celle de Niépce et la vue de son atelier. Quelle serait cette image qui présenterait toutes les possibilités nouvelles des spads et qui dépasserait la démonstration technologique, qui explorerait le monde contemporain avec un nouveau langage, une nouvelle manière de «percevoir»?
Et le sujet de cette première image? La vue du laboratoire de l’EPFL comme dans la traditions des premières images en photographie? La lune, puisqu’elle a été le sujet privilégié de tant d’expérimentations, exemple type, tellement typique qu’elle devient le sujet test par excellence? Un sujet ultra-contemporain qui daterait l’image par son sujet? Un sujet qui utiliserait une référence à Dürer ou à l’hyperréalisme, dans une position post-moderne?
C’est une question passionnante à poser aux artistes, l’autre pôle de chercheurs, chercheurs de nouvelles opportunités d’aborder la représentation du monde.

Time of flight, temps de vol (de la lumière)
Outre ce capteur bidimensionnel pour une image fixe, cette invention s’applique aussi à une représentation «en deux dimensions et demie» et en continu pour une image en mouvement.
Depuis un point de vue donné, par un dispositif optique et un capteur de deux dimensions, les spads nous offrent la possibilité de calculer le temps que prend une lumière pulsée pour se refléter sur un sujet, et de connaître ainsi la distance de chaque point d’une prise de vue de manière extrêmement précise (le Time of flight).

Une cartographie des profondeurs
Je ne pourrai pas voir derrière sa tête, mais saurai si son nez est grand et aussi, la profondeur exacte de la courbe de ses oreilles…
Le bas-relief retrouverait-il ses lettres de noblesse dans l’imagerie contemporaine? Nos imprimantes ne sont pas encore dotées de gaufrages incorporés, mais qui sait? Les images bidimensionnelles deviendront peut-être obsolètes. Le gain de réalisme du bas-relief séduira-t-il les faiseurs d’images?
Que de possibilités à imaginer, je vous les livre en liste des futurs probables:
• des jeux virtuels et quelques jolies scènes érotiques
• la possibilité d’intervenir avec un film en temps réel d’un document (reconnaissance des traits du visage et des actions faciales d’un personnage en pyjama devant sa webcam 3d) appliqué à une scène fictive (au personnage de Batman qui sauve le monde… peut-être…)
• plus humiliant: une reconnaissance faciale destinée à l’entrée des banques ou aux fichiers de police.
• plus simple: faire disparaître toutes les informations qui se situent à plus de 2m50 et de les remplacer par une autre image, un blue box ultraperfectionné, en somme
• à partir de plusieurs points de vue, la modélisation d’un objet, bien plus aisée que les balayages (scanning)
• visualisation d’espaces
• balayage (scanning) de la neuro-activité
• précisions des distances pour les géomètres ou l’armée
• compte et détection des molécules
• tomographie optique
• sécurité automobile (airbags)
• un générateur de nombres aléatoires, j’aime beaucoup cette idée que nous avons besoin d’un système perfectionné pour l’aléatoire, si précieux en informatique, une sorte de joli paradoxe
• …et d’autres en cours dans l’esprit des chercheurs et le vôtre, des matrices de rêves et des senseurs d’envies…


La technologie CMOS en quelques mots
Complementary metal oxide semiconductor CMOS est un type largement répandu de procédé de fabrication de circuits intégrés. Les procédés CMOS utilisent des circuits basé à la fois sur transistors de type NMOS (polarité négative) et de type PMOS (polarité positive). Puisque seulement un des types de transistor est allumé à n’importe quelle moment donné, les puces fabriquées en CMOS consomment moins de puissance électrique que d’autres types de chips en utilisant juste un type de transistor. Ceci les rend particulièrement attrayants pour l’usage dans des dispositifs à piles, tels que les ordinateurs portables et dans de circuit à très haute densité tels que les processeurs en général. En effet, la technologie CMOS s’est développée quasi-exponentiellement notamment parce que les fabricants de processeurs avaient besoin d’augmenter la complexité des puces (en nombre de transistors) mais, avec les technologies anciennes, cette évolution produisait une surchauffe par dissipation de chaleur des circuits intégrés.



Pour en savoir plus:

Edoardo Charbon
http://aqua.epfl.ch/publications.html

Radivoje Popovic
http://lmis3.epfl.ch/publications/


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mise à jour: 01 juillet 2005