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(shù)的百萬(wàn)像素光子計(jì)數(shù)相機(jī)，該技術(shù)使用了單光子雪崩二極管(SPAD)。新相機(jī)可以以前所未有的速度檢測(cè)光的單個(gè)光子，這種能力可以促進(jìn)需要快速采集3D圖像的應(yīng)用，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)。

École的高級(jí)量子建筑實(shí)驗(yàn)室(AQUALab)的Edoardo Charbon說：“由于其高分辨率和測(cè)量深度的能力，這種新型相機(jī)可以使虛擬現(xiàn)實(shí)更加逼真，并讓您以更加無(wú)縫的方式與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息進(jìn)行交互。”瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)。Charbon提出了新相機(jī)的構(gòu)想，并且是設(shè)計(jì)圖像傳感器的AQUALab的創(chuàng)始人和負(fù)責(zé)人。

在光學(xué)協(xié)會(huì)(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?lái)設(shè)計(jì)的最小的SPAD像素之一，如何在保持速度和定時(shí)精度的同時(shí)將每個(gè)像素的功耗降低到1毫瓦以下。新相機(jī)可以每秒捕獲24,000幀圖像。為了進(jìn)行比較，每秒30幀是用于錄制電視視頻的標(biāo)準(zhǔn)速率。

第一作者Kazuhiro說：“在運(yùn)輸應(yīng)用中，這種新型相機(jī)可以通過在車輛上使用多個(gè)低功率LiDAR設(shè)備，從而提供快速，高分辨率的3D視圖，從而幫助實(shí)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(yuǎn)的未來(lái)，量子通信，傳感和計(jì)算都將受益于具有數(shù)百萬(wàn)像素分辨率的光子計(jì)數(shù)相機(jī)。”

新型傳感器

在不到20年的時(shí)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(jī)相機(jī)和許多家用設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)版本。這項(xiàng)技術(shù)的成功源于以下事實(shí)：SPAD傳感器在檢測(cè)單個(gè)光子并將其轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)器中的電信號(hào)方面非常高效?？梢酝ㄟ^構(gòu)建每個(gè)包含SPAD的像素陣列來(lái)創(chuàng)建大幅面相機(jī)。

在這項(xiàng)新工作中，研究人員在EPFL的AQUALab上進(jìn)行了15年的SPAD研究，以創(chuàng)建一種利用SPAD技術(shù)進(jìn)行高級(jí)成像的超快高分辨率相機(jī)。新的相機(jī)檢測(cè)單光子，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其記錄速度約為每秒1.5億次?？梢詫?duì)每個(gè)SPAD傳感器進(jìn)行精細(xì)控制，以允許光在短于3.8納秒的時(shí)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(yùn)動(dòng)，或用于增加所獲取圖像的動(dòng)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(gè)非常小的SPAD像素，并通過使用一種反饋機(jī)制來(lái)降低功耗，該反饋機(jī)制幾乎立即消除了由光子檢測(cè)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(qiáng)的布局技術(shù)將SPAD傳感器包裝得更緊密，從而提高了檢測(cè)區(qū)域的密度，并使一百萬(wàn)像素的攝像機(jī)成為可能。

然后，研究人員應(yīng)用了復(fù)雜的集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，以在大型像素陣列上創(chuàng)建極其均勻的快速電信號(hào)分布。他們表明，快門速度在百萬(wàn)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(shù)來(lái)制造這種傳感器。

高速3D成像

相機(jī)的速度使得可以非常精確地測(cè)量光子撞擊傳感器的時(shí)間。此信息可用于計(jì)算單個(gè)光子從光源到相機(jī)的距離所花費(fèi)的時(shí)間，即飛行時(shí)間。將飛行時(shí)間信息與同時(shí)捕獲一百萬(wàn)個(gè)像素的能力相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)3D圖像的超高速重建。

研究人員使用新相機(jī)確定了從激光源發(fā)出并被目標(biāo)反射的光子的飛行時(shí)間。他們還捕獲了其他成像技術(shù)難以測(cè)量的復(fù)雜場(chǎng)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(jī)獲取了具有空前動(dòng)態(tài)范圍的常規(guī)圖像。將來(lái)，他們計(jì)劃進(jìn)一步改善攝像機(jī)的性能和定時(shí)分辨率，并進(jìn)一步縮小組件的尺寸，使其在各種應(yīng)用中更加實(shí)用。