新型光子相机以创纪录的速度和分辨率捕获3D图像

（文章来源：科技报告与资讯）
研究人员基于使用单光子雪崩二极管（SPADs）的新一代图像传感器技术，开发出了第一台百万像素光子计数相机。这种新型相机可以以前所未有的速度检测单光子，这种能力可以推动需要快速获取三维图像的应用，如增强现实和自动驾驶汽车的LiDAR系统等。

瑞士洛桑理工学院（EPFL）高级量子结构实验室（AQUALab）的Edoardo Charbon说："由于其高分辨率和测量深度的能力，这种新的相机可以让虚拟现实变得更加逼真，让你以更无缝的方式与增强现实信息进行交互。"Charbon提出了新相机的想法，他是AQUALab的创始人和负责人，图像传感器就是在这里设计的。

在光学协会（OSA）的高影响力研究期刊《Optica》上，研究人员描述了他们是如何创造出有史以来最小的SPAD像素之一，并将每个像素的功耗降低到1微瓦以下，同时保持速度和时序精度。这种新的相机可以以每秒24,000帧的速度获取图像。相比之下，每秒30帧是电视视频录制的标准速率。

"对于交通领域的应用，这种新相机可以通过在一辆车上使用多个低功耗的LiDAR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。"第一作者、来自日本佳能公司的Kazuhiro Morimoto说。"未来，量子通信、传感和计算都可以从具有百万像素分辨率的光子计数相机中受益。"

在不到20年的时间里，SPAD传感器已经从一个新奇的产品发展到了大多数智能手机、相机和许多家用设备的标准配置。这项技术的成功来自于SPAD传感器在检测单个光子并将其转化为电信号存储在数字存储器中的效率极高。通过建立一个像素阵列，每个像素都包含一个SPAD，就可以创建一个大尺寸相机。

在本研究中，研究人员借鉴了EPFL的AQUAL实验室15年的SPAD研究经验，创造出了一个速度极快、分辨率极高的相机，利用SPAD技术进行高级成像。这款新相机可以检测到单个光子，并以每秒约1.5亿次的记录速度将其转换为电信号。每个SPAD传感器可以被精细控制，让光线进入的时间只有3.8纳秒，约为40亿分之一秒。这种快速的 "快门速度 "可以捕捉到极快的运动，也可以用来增加动态范围（最暗和最亮的色调之间的差异）。

研究人员创造了极小的SPAD像素，并通过使用反馈机制设计出了极小的SPAD像素，通过使用反馈机制，几乎可以立即熄灭光子检测触发的电子雪崩，从而实现低功耗。这提高了像素的整体性能和可靠性。他们还利用增强型布局技术将SPAD传感器封装得更紧密，从而提高了检测面积密度，实现了百万像素的摄像头。

随后，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形成了极为均匀的快速电信号分布。他们表明，在百万像素上，快门速度仅有3%的变化，这表明这种传感器可以利用现有的量产技术。相机的速度使其能够非常精确地测量光子到达传感器的时间。这些信息可用于计算单个光子从源头到相机所需的时间，称为飞行时间。将飞行时间信息与同时捕获100万个像素的能力结合在一起，可以实现快速重建三维图像。

研究人员利用新型相机确定了激光源发射的光子和目标反射的光子的飞行时间。他们还捕捉到了其他成像技术难以测量的复杂场景，例如通过部分透明的窗口观察物体，他们利用该相机获得了具有前所未有的动态范围的传统图片。今后，他们计划进一步提高相机的性能和时序分辨率，并进一步将部件小型化，使其更实用于各种应用。
（责任编辑：fqj）