研究人員開發(fā)出了一種新型深度傳感3D相機(jī)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員開發(fā)出了一種新型深度傳感3D相機(jī)，它能夠以百萬像素的分辨率和每秒24000幀的速度探測單個光子。這種創(chuàng)紀(jì)錄的性能有望為自動駕駛汽車的下一代視覺系統(tǒng)提供支持。

這款被稱為MegaX的3D相機(jī)由瑞士EPFL的研究人員聯(lián)合日本佳能（Canon）共同設(shè)計，據(jù)EPFL工程學(xué)院先進(jìn)量子架構(gòu)實驗室負(fù)責(zé)人及該項目首席研究員Edoardo Charbon教授評價，“這是單光子雪崩二極管（SPAD）研究15年來的巔峰，SPAD是用于下一代圖像傳感技術(shù)的光電探測器。”

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員與日本佳能合作開發(fā)了一款具有創(chuàng)紀(jì)錄幀速和分辨率的3D相機(jī)

SPAD傳感器能夠探測最微弱的光，可達(dá)光子量級水平的能量。這主要歸功于電子在高壓加速到高速時產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)。即在雪崩光電二極管的p-n結(jié)上施加一個非常高的反向偏壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，當(dāng)光照射到p-n結(jié)時所激發(fā)的光生載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后，在強(qiáng)電場中會受到加速而獲得足夠的動能，在高速運動中與晶格發(fā)生碰撞，使晶格中的原子發(fā)生電離。通過碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對稱為二次電子空穴對。新產(chǎn)生的電子空穴對在強(qiáng)電場下又被加速，獲得足夠的能量再次與晶格碰撞，產(chǎn)生新的電子空穴對，這個過程不斷往復(fù)，使p-n結(jié)內(nèi)載流子迅速增加，電流隨之急劇增多，這種現(xiàn)象成為雪崩效應(yīng)。

SPAD傳感器可用于激光雷達(dá)（LiDAR）、PET掃描儀和飛行時間（ToF）3D傳感器，測量激光從發(fā)射到返回所需要的時間，以生成空間內(nèi)物體的三維地圖。通常，這類都是低分辨率傳感器，有的是單個像素，有些是高達(dá)1000像素的陣列，這意味著對于尺寸較大的物體必須進(jìn)行水平、垂直（或同時）掃描。這就需要在精確性、高精度以及高幀速之間做出權(quán)衡。

基于SPAD圖像傳感器的首款百萬像素分辨率光子計數(shù)相機(jī)示意圖

新款MegaX相機(jī)在這兩個方面都有巨大的進(jìn)步，它擁有百萬像素的分辨率，以及每秒24000幀的速率，相當(dāng)于每秒25GB的數(shù)據(jù)速率。MegaX相機(jī)的SPAD傳感器靈敏度驚人，能夠探測單個光子，提供了“前所未有”的動態(tài)范圍，其快門時間低至3.8納秒。

研究人員證實，MegaX相機(jī)可以實現(xiàn)其它傳感器無法完成的工作，比如通過部分透明的玻璃獲得良好的物體深度數(shù)據(jù)。

MegaX相機(jī)采用了非常小的SPAD像素，以在雪崩信號產(chǎn)生后立即“淬滅”信號，為下一幀刷新傳感器。這為其帶來了另一個非常理想的特性，即非常低的功耗，當(dāng)這項技術(shù)成熟到可以在智能手機(jī)和汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)中運用時，這將非常有優(yōu)勢。這對于未來的量子通信、傳感和計算系統(tǒng)應(yīng)用也很重要。

當(dāng)然，它離實際應(yīng)用還有一段距離。其單個像素仍然太大，約9 μm，大約是常規(guī)相機(jī)CMOS圖像傳感器像素的10倍。不過，Charbon和他的團(tuán)隊已經(jīng)在研究下一代MegaX相機(jī)，將像素尺寸降至2.2 μm左右。