新光子计数摄像头能以超高速度和分辨率捕获3D图像

据外媒报道，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）高级量子架构实验室（AQUALab）的研究人员开发了首款基于新一代使用单光子雪崩二极管（SPAD）的图像传感器技术的百万级像素光子计数摄像头，可以极其快速地检测单个光子，从而推进需要快速获取3D图像的应用的发展，例如增强现实和自动驾驶汽车的激光雷达系统。

（图片来源：www.miragenews.com）

AQUALab创始人和负责人Edoardo Charbon表示，“由于其高分辨率和测量深度的能力，此款新摄像头可以使虚拟现实更逼真，使用户与增强现实信息更加无缝地交互。”

在《光学学报》杂志中，研究人员阐述了如何创造最小的SPAD像素之一，并将每个像素的功耗降低至不到1微瓦，同时保持速度和计时精度。此种新型摄像头可以每秒捕获高达24000帧的图像，而用于录制电视视频的标准速率仅为每秒30帧。

论文第一作者、日本佳能公司的Kazuhiro Morimoto表示，“对于交通应用而言，此款新摄像头可以通过在车辆中使用多个低功率激光雷达设备，提供快速、高分辨率的3D环境视图，从而提高自动驾驶程度和安全水平。未来，量子通信、传感和计算都将受益于具有数百万像素分辨率的光子计数摄像头。”

在不到20年的时间里，SPAD传感器已经从一款新奇的产品发展成为大多数智能手机摄像头和许多家用设备的标配。SPAD传感器能够高效率地检测单个光子，并将其转换成存储在数字存储器中的电子信号。通过构建每个像素都包含一个SPAD的像素数组，可以创建一个大画幅摄像头。

AQUALab研究人员进行了15年的SPAD研究，创造了此种超快速、高分辨率的摄像头，可利用SPAD技术进行高级成像。此种新型摄像头可以检测到单个光子，并以每秒约1.5亿次的速度将它们转换成电子信号。每个SPAD传感器都可以被精确控制，以使光进入的时间最短为3.8纳秒，大约是40亿分之一秒，因此可以捕捉到非常快的运动，也可以用于增加动态范围，即捕获的图像中最暗和最亮色调的差别。

研究人员创造了极小的SPAD像素，并使用可几乎立即熄灭光子探测触发的电子雪崩的反馈机制，以降低功耗，从而提高了像素的整体性能和可靠性。研究人员还使用改进的布局技术，使SPAD传感器封装更紧凑，从而提高探测区域密度，并启用100万像素的摄像头。

然后，研究人员应用复杂的集成电路设计技术，在大规模像素阵列上创建了一个及其均匀的快速电子信号分布。他们展示了快门速度在百万像素范围内只有3%的变化，证明了利用现有量产技术制造这种传感器是可行的。

该摄像头的速度使得精确测量光子到达传感器的时间成为可能。这些信息可以用于计算单个光子从光源到摄像头的距离，即飞行时间。将飞行时间信息与同时捕获百万像素的能力相结合，可以实现极其高速的3D图像重建。

研究人员使用新摄像头来确定从激光光源发射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，例如透过半透明的窗户探测物体。研究人员还使用摄像头捕获具有极高动态范围的常规图像。未来，研究人员计划进一步提高摄像头的性能和时间分辨率，并进一步减小组件体积，使其更实用。