导读： 研究人员已经开发出了第一款基于新一代图像传感器技术的百万像素光子计数相机，该技术使用了单光子雪崩二极管（SPADs）。新相机可以以前所未有的速度实现单光子级别的检测，这种能力可以促进需要快速采集3D图像的应用领域的发展，例如增强现实和自动驾驶汽车中的激光雷达系统（LiDAR）。英文原文链接[1]：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200416114537.htm
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的先进量子架构实验室（Advanced Quantum Architecture Laboratory，AQUALab）的Edoardo Charbon说：“由于其高分辨率和深测量的能力，这种新型相机可以使虚拟现实更加逼真，并让您以更加 “无缝” 的方式与增强现实设备进行交互”。 AQUALab的创始人和负责人Charbon提出了新相机的构想，并且设计了图像传感器。
在美国光学学会一本高质量的学术期刊optica上最近发表的论文中[2]，研究人员描述了他们如何设计创造出有史以来最小之一的SPAD像素，该相机可以在保持速度和定时精度的同时将每个像素的功耗降低到1毫瓦以下。新相机每秒可以捕获24000帧图像（用于录制电视视频的标准速率是每秒30帧）。
来自日本佳能公司的，论文的第一作者Kazuhiro Morimoto说：“这个相机可以使自动驾驶汽车通过多个低功耗的激光雷达快速地获得高清的周围环境的3D图像，提升汽车的自动驾驶体验以及安全级别。在不久的将来，量子通信，传感和量子计算领域都将受益于具有数百万像素分辨率的光子计数相机”。
Fig. 1 图片摘自文献[2]
新型传感器
在不到20年的时间里，SPAD传感器已经从一个新颖的设备发展到在大多数智能手机相机和许多家用设备中得到普及。这项技术的成功源于SPAD的良好性能——SPAD传感器在检测单个光子，并将其转换为数字存储器中的电信号方面是非常高效的。可以通过包含SPAD像素的阵列来创建大幅面相机。
在这项新工作中，来自EPFL的AQUALab的研究人员已经进行了15年有关SPAD的研究，他们创建了一种利用SPAD技术进行高质量成像的超快、高分辨率相机。新的相机可以探测单光子，并将其转换为电信号，其记录速度约为每秒1.5亿次。可以对每个SPAD传感器进行精确控制，允许光子在短于3.8纳秒的时间内被采集，大约为40亿分之一秒。这种快速的曝光速度可以捕获极快的运动，也可以增加采集图像的动态范围（最暗和最亮色调之间的差异）。
研究人员创建了一个非常小的SPAD像素，并通过使用一种可以迅速消除由光子检测触发的电子雪崩的反馈机制来降低功耗。这改善了像素的整体性能和可靠性。他们还使用了紧密的布局技术将SPAD传感器分配的更紧密，从而提高了检测区域的密度，使一百万像素的摄像机成为可能。
然后，研究人员应用了复杂的集成电路设计技术，以在大型像素阵列上快速地创建极其均匀电信号分布。他们表明在百万像素上快门速度的波动仅有3％，这表明可以使用现有的生产技术来批量制造这种传感器。
高速3D成像
相机的速度使得可以非常精确地测量光子撞击传感器的时间。此信息可用于计算单个光子从光源到相机的距离所花费的时间。将飞行时间信息与同时捕获含有一百万个像素图像的能力相结合，可以实现3D图像的超快速重建。
研究人员使用新相机确定了从激光源发出并被目标反射的光子的飞行时间。他们还捕获了其他成像技术难以测量的复杂场景，例如通过部分透明的窗口观察物体，并且他们使用相机获取了具有空前动态范围的常规图像。将来，他们计划进一步改善摄像机的性能和时间分辨率，并进一步缩小组件的尺寸，使其在各种应用中更加实用。
-
The Optical Society. "New photon-counting camera captures 3D images with record speed and resolution." ScienceDaily. ScienceDaily, 16 April 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200416114537.htm>. ↩
-
Kazuhiro Morimoto, Andrei Ardelean, Ming-Lo Wu, Arin Can Ulku, Ivan Michel Antolovic, Claudio Bruschini, Edoardo Charbon. Megapixel time-gated SPAD image sensor for 2D and 3D imaging applications. Optica, 2020; 7 (4): 346 DOI: 10.1364/OPTICA.386574 ↩
网友评论