首款SPAD图像传感器的光子计数相机可以高速度在弱光下进行拍摄

据外媒报道，国外研究人员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（SPAD）图像传感器。该新型相机可以以前所未有的速度检测光的单光子，这种能力可以促进需要快速采集3D图像的应用，例如增强现实和自动驾驶汽车的激光雷达系统。

研究人员已经开发出了第一款基于单光子雪崩二极管（SPAD）图像传感器的百万像素光子计数相机。新相机可以以前所未有的速度在微弱的光线下拍摄图像。

据悉，瑞士洛桑理工学院（EPFL）高级量子建筑实验室（AQUALab）的Edoardo Charbon提出了新相机的构想，他也是设计图像传感器的AQUALab的创始人和负责人。他说：“由于其高分辨率和测量深度的能力，这种新型相机可以使虚拟现实更加逼真，并让人们以更加无缝的方式与增强现实信息进行交互。”

在光学学会（OSA）高影响力研究杂志Optica上，研究人员描述了他们是如何创造出史上最小的SPAD像素之一，并且如何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。新相机可以每秒捕获24，000帧图像，而每秒30帧是用于录制电视视频的标准速率。

SPAD（单光子雪崩二极管）图像传感器

在不到20年的时间里，SPAD图像传感器已经从一个新奇的产品发展到大多数智能手机摄像头和许多家用设备的标准使用配置。这项技术的成功来自于SPAD图像传感器在探测单个光子并将其转换为存储在数字存储器中的电信号方面非常高效，通过构建一个像素阵列（每个像素都包含一个SPAD），可以创建大幅面相机。

在这项新的研究中，研究人员利用15年时间在EPFL的AQUALab进行SPAD研究，创造了一种利用SPAD技术进行高级成像的高速高分辨率相机。这台新相机探测到单个光子，并以每秒约1.5亿次的记录速率将其转换成电信号，每一个SPAD传感器都可以被精细地控制，允许光进入的时间只有3.8纳秒，大约是40亿分之一秒。这种快速的“快门速度”可以捕捉非常快的运动，或者用于增加动态范围，即所采集图像的最暗和最亮色调之间的差异。

研究人员还创建了一个非常小的SPAD像素，并通过使用一种反馈机制来降低功耗，该反馈机制几乎立即消除了由光子检测触发的电子雪崩，这提高了像素的整体性能和可靠性。他们还使用增强的布局技术将SPAD图像传感器包装得更紧密，从而提高了检测区域的密度，并使一百万像素的摄像机成为可能。

同时，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创建极其均匀的快速电信号分布。他们表明，快门速度在百万像素上仅变化了3％，这表明可以使用现有的批量生产技术来制造这种传感器。

高速3D图像重建

相机的速度使我们能够非常精确地测量光子击中传感器的时间，此信息可用于计算单个光子从源到相机的距离（称为飞行时间）需要多长时间。将飞行时间信息与同时捕获100万像素的能力结合起来，可以实现极其高速的3D图像重建。

研究人员使用这台新相机来确定从激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，例如通过部分透明窗口观看的对象，并使用相机获取具有前所未有动态范围的传统图片。未来，他们计划进一步提高相机的性能和定时分辨率，并进一步缩小组件，使其更适用于各种应用。

日本佳能公司（Canon Inc.）的森本和弘（Kazuhiro Morimoto）说：“对于交通应用来说，这种新型相机可以通过在车辆上使用多个低功率激光雷达设备，提供快速、高分辨率的三维环境视图，帮助实现前所未有的自主性和安全性。在更遥远的将来，量子通信、传感和计算都可以受益于具有数百万像素分辨率的光子计数相机。”

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