研究人員已經(jīng)開發(fā)出了第一款基于新一代圖像傳感器技術的百萬像素光子計數(shù)相機，該技術使用了單光子雪崩二極管(SPAD)。新相機可以以前所未有的速度檢測光的單個光子，這種能力可以促進需要快速采集3D圖像的應用，例如增強現(xiàn)實和自動駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)。

École的高級量子建筑實驗室(AQUALab)的Edoardo Charbon說：“由于其高分辨率和測量深度的能力，這種新型相機可以使虛擬現(xiàn)實更加逼真，并讓您以更加無縫的方式與增強現(xiàn)實信息進行交互。”瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)。Charbon提出了新相機的構(gòu)想，并且是設計圖像傳感器的AQUALab的創(chuàng)始人和負責人。

在光學協(xié)會(OSA)的高影響力研究期刊中，研究人員描述了他們?nèi)绾沃圃斐鲇惺芬詠碓O計的最小的SPAD像素之一，如何在保持速度和定時精度的同時將每個像素的功耗降低到1毫瓦以下。新相機可以每秒捕獲24,000幀圖像。為了進行比較，每秒30幀是用于錄制電視視頻的標準速率。

第一作者Kazuhiro說：“在運輸應用中，這種新型相機可以通過在車輛上使用多個低功率LiDAR設備，從而提供快速，高分辨率的3D視圖，從而幫助實現(xiàn)前所未有的自治性和安全性。”日本佳能公司的森本。“在更遙遠的未來，量子通信，傳感和計算都將受益于具有數(shù)百萬像素分辨率的光子計數(shù)相機。”

新型傳感器

在不到20年的時間里，SPAD傳感器已經(jīng)從新穎性發(fā)展到大多數(shù)智能手機相機和許多家用設備中的標準版本。這項技術的成功源于以下事實：SPAD傳感器在檢測單個光子并將其轉(zhuǎn)換為存儲在數(shù)字存儲器中的電信號方面非常高效?？梢酝ㄟ^構(gòu)建每個包含SPAD的像素陣列來創(chuàng)建大幅面相機。

在這項新工作中，研究人員在EPFL的AQUALab上進行了15年的SPAD研究，以創(chuàng)建一種利用SPAD技術進行高級成像的超快高分辨率相機。新的相機檢測單光子，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，其記錄速度約為每秒1.5億次?？梢詫γ總€SPAD傳感器進行精細控制，以允許光在短于3.8納秒的時間內(nèi)，大約為四分之一秒。這種快速的“快門速度”可以捕獲極快的運動，或用于增加所獲取圖像的動態(tài)范圍(最暗和最亮色調(diào)之間的差異)。

研究人員創(chuàng)建了一個非常小的SPAD像素，并通過使用一種反饋機制來降低功耗，該反饋機制幾乎立即消除了由光子檢測觸發(fā)的電子雪崩。這改善了像素的整體性能和可靠性。他們還使用增強的布局技術將SPAD傳感器包裝得更緊密，從而提高了檢測區(qū)域的密度，并使一百萬像素的攝像機成為可能。

然后，研究人員應用了復雜的集成電路設計技術，以在大型像素陣列上創(chuàng)建極其均勻的快速電信號分布。他們表明，快門速度在百萬像素上僅變化了3%，這表明可以使用現(xiàn)有的批量生產(chǎn)技術來制造這種傳感器。

高速3D成像

相機的速度使得可以非常精確地測量光子撞擊傳感器的時間。此信息可用于計算單個光子從光源到相機的距離所花費的時間，即飛行時間。將飛行時間信息與同時捕獲一百萬個像素的能力相結(jié)合，可以實現(xiàn)3D圖像的超高速重建。

研究人員使用新相機確定了從激光源發(fā)出并被目標反射的光子的飛行時間。他們還捕獲了其他成像技術難以測量的復雜場景，例如通過部分透明的窗口查看的物體，并且他們使用相機獲取了具有空前動態(tài)范圍的常規(guī)圖像。將來，他們計劃進一步改善攝像機的性能和定時分辨率，并進一步縮小組件的尺寸，使其在各種應用中更加實用。