首款SPAD圖像傳感器的光子計(jì)數(shù)相機(jī)可以高速度在弱光下進(jìn)行拍攝

據(jù)外媒報(bào)道，國(guó)外研究人員開(kāi)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）圖像傳感器。該新型相機(jī)可以以前所未有的速度檢測(cè)光的單光子，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(chē)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

研究人員已經(jīng)開(kāi)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(wàn)像素光子計(jì)數(shù)相機(jī)。新相機(jī)可以以前所未有的速度在微弱的光線下拍攝圖像。

據(jù)悉，瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）高級(jí)量子建筑實(shí)驗(yàn)室（AQUALab）的Edoardo Charbon提出了新相機(jī)的構(gòu)想，他也是設(shè)計(jì)圖像傳感器的AQUALab的創(chuàng)始人和負(fù)責(zé)人。他說(shuō)：“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，并讓人們以更加無(wú)縫的方式與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息進(jìn)行交互?！?/p>

在光學(xué)學(xué)會(huì)（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(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，而每秒30幀是用于錄制電視視頻的標(biāo)準(zhǔn)速率。

SPAD（單光子雪崩二極管）圖像傳感器

在不到20年的時(shí)間里，SPAD圖像傳感器已經(jīng)從一個(gè)新奇的產(chǎn)品發(fā)展到大多數(shù)智能手機(jī)攝像頭和許多家用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)使用配置。這項(xiàng)技術(shù)的成功來(lái)自于SPAD圖像傳感器在探測(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，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)像素陣列（每個(gè)像素都包含一個(gè)SPAD），可以創(chuàng)建大幅面相機(jī)。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員利用15年時(shí)間在EPFL的AQUALab進(jìn)行SPAD研究，創(chuàng)造了一種利用SPAD技術(shù)進(jìn)行高級(jí)成像的高速高分辨率相機(jī)。這臺(tái)新相機(jī)探測(cè)到單個(gè)光子，并以每秒約1.5億次的記錄速率將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，每一個(gè)SPAD傳感器都可以被精細(xì)地控制，允許光進(jìn)入的時(shí)間只有3.8納秒，大約是40億分之一秒。這種快速的“快門(mén)速度”可以捕捉非?？斓倪\(yùn)動(dòng)，或者用于增加動(dòng)態(tài)范圍，即所采集圖像的最暗和最亮色調(diào)之間的差異。

研究人員還創(chuàng)建了一個(gè)非常小的SPAD像素，并通過(guò)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，這提高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圖像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。

同時(shí)，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(mén)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圖像重建

相機(jī)的速度使我們能夠非常精確地測(cè)量光子擊中傳感器的時(shí)間，此信息可用于計(jì)算單個(gè)光子從源到相機(jī)的距離（稱(chēng)為飛行時(shí)間）需要多長(zhǎng)時(shí)間。將飛行時(shí)間信息與同時(shí)捕獲100萬(wàn)像素的能力結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)極其高速的3D圖像重建。

研究人員使用這臺(tái)新相機(jī)來(lái)確定從激光源發(fā)射并被目標(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(guò)部分透明窗口觀看的對(duì)象，并使用相機(jī)獲取具有前所未有動(dòng)態(tài)范圍的傳統(tǒng)圖片。未來(lái)，他們計(jì)劃進(jìn)一步提高相機(jī)的性能和定時(shí)分辨率，并進(jìn)一步縮小組件，使其更適用于各種應(yīng)用。

日本佳能公司（Canon Inc.）的森本和弘（Kazuhiro Morimoto）說(shuō)：“對(duì)于交通應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種新型相機(jī)可以通過(guò)在車(chē)輛上使用多個(gè)低功率激光雷達(dá)設(shè)備，提供快速、高分辨率的三維環(huán)境視圖，幫助實(shí)現(xiàn)前所未有的自主性和安全性。在更遙遠(yuǎn)的將來(lái)，量子通信、傳感和計(jì)算都可以受益于具有數(shù)百萬(wàn)像素分辨率的光子計(jì)數(shù)相機(jī)?！?/p>

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