首款SPAD圖像傳感器的光子計數(shù)相機可以高速度在弱光下進行拍攝

據外媒報道，國外研究人員開發(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）圖像傳感器。該新型相機可以以前所未有的速度檢測光的單光子，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激光雷達系統(tǒng)。

研究人員已經開發(fā)出了第一款基于單光子雪崩二極管（SPAD）圖像傳感器的百萬像素光子計數(shù)相機。新相機可以以前所未有的速度在微弱的光線下拍攝圖像。

據悉，瑞士洛桑理工學院（EPFL）高級量子建筑實驗室（AQUALab）的Edoardo Charbon提出了新相機的構想，他也是設計圖像傳感器的AQUALab的創(chuàng)始人和負責人。他說：“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，并讓人們以更加無縫的方式與增強現(xiàn)實信息進行交互。”

在光學學會（OSA）高影響力研究雜志Optica上，研究人員描述了他們是如何創(chuàng)造出史上最小的SPAD像素之一，并且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，而每秒30幀是用于錄制電視視頻的標準速率。

SPAD（單光子雪崩二極管）圖像傳感器

在不到20年的時間里，SPAD圖像傳感器已經從一個新奇的產品發(fā)展到大多數(shù)智能手機攝像頭和許多家用設備的標準使用配置。這項技術的成功來自于SPAD圖像傳感器在探測單個光子并將其轉換為存儲在數(shù)字存儲器中的電信號方面非常高效，通過構建一個像素陣列（每個像素都包含一個SPAD），可以創(chuàng)建大幅面相機。

在這項新的研究中，研究人員利用15年時間在EPFL的AQUALab進行SPAD研究，創(chuàng)造了一種利用SPAD技術進行高級成像的高速高分辨率相機。這臺新相機探測到單個光子，并以每秒約1.5億次的記錄速率將其轉換成電信號，每一個SPAD傳感器都可以被精細地控制，允許光進入的時間只有3.8納秒，大約是40億分之一秒。這種快速的“快門速度”可以捕捉非?？斓倪\動，或者用于增加動態(tài)范圍，即所采集圖像的最暗和最亮色調之間的差異。

研究人員還創(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，這提高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圖像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。

同時，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)有的批量生產技術來制造這種傳感器。

高速3D圖像重建

相機的速度使我們能夠非常精確地測量光子擊中傳感器的時間，此信息可用于計算單個光子從源到相機的距離（稱為飛行時間）需要多長時間。將飛行時間信息與同時捕獲100萬像素的能力結合起來，可以實現(xiàn)極其高速的3D圖像重建。

研究人員使用這臺新相機來確定從激光源發(fā)射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，例如通過部分透明窗口觀看的對象，并使用相機獲取具有前所未有動態(tài)范圍的傳統(tǒng)圖片。未來，他們計劃進一步提高相機的性能和定時分辨率，并進一步縮小組件，使其更適用于各種應用。

日本佳能公司（Canon Inc.）的森本和弘（Kazuhiro Morimoto）說：“對于交通應用來說，這種新型相機可以通過在車輛上使用多個低功率激光雷達設備，提供快速、高分辨率的三維環(huán)境視圖，幫助實現(xiàn)前所未有的自主性和安全性。在更遙遠的將來，量子通信、傳感和計算都可以受益于具有數(shù)百萬像素分辨率的光子計數(shù)相機。”

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