由光学学会 研究人员开发了第一台基于单光子雪崩二极管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捕捉图像
信用:阿里安娜M
Charbon，Kazuhiro Morimoto，Edoardo Charbon
研究人员开发了第一台基于新一代图像传感器技术的百万像素光子计数相机，该技术使用单光子雪崩二极管
新相机可以以前所未有的速度探测单个光子，这一能力可以推进需要快速获取三维图像的应用，如增强现实和用于自主车辆的激光雷达系统
“由于其高分辨率和测量深度的能力，这种新相机可以使虚拟现实更加真实，让你以更无缝的方式与增强现实信息交互，”瑞士洛桑联邦理工学院高级量子建筑实验室(AQUALab)的Edoardo Charbon说
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Optica，光学学会(OSA)的高影响研究杂志中，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，同时保持速度和定时精度。
这款新相机每秒可以采集24000帧图像
相比之下，每秒30帧是电视录制视频的标准速率
“对于交通应用来说，这款新相机可以实现前所未有的自主性和安全性，因为它可以在一辆车上使用多种低功耗激光雷达设备，提供快速、高分辨率的三维环境视图，”第一作者、佳能公司的森本和弘说
在日本
“在更遥远的未来，量子通信、传感和计算都将受益于数百万像素分辨率的光子计数相机
" 一种新型传感器 在不到20年的时间里，SPAD传感器从一种新奇的东西发展到了大多数智能手机摄像头和许多家用设备的标准版本
这项技术的成功来自于这样一个事实，即SPAD传感器在检测单个光子并将它们转换成存储在数字存储器中的电信号方面非常有效
一个大尺寸的相机可以通过构建一个像素阵列来创建，每个像素包含一个空间碎片
在这项新的工作中，研究人员利用EPFL水实验室15年的空间碎片分析研究，创造了一种利用空间碎片分析技术进行高级成像的极快高分辨率相机
这种新相机可以探测单个光子，并以每秒1.5亿次的记录速度将它们转换成电信号
每一个空间光分布传感器都可以被精确地控制，只需3秒钟就可以让光线进入
8纳秒，大约40亿分之一秒
这种快速的“快门速度”可以捕捉极快的运动，或者用于增加采集图像的动态范围——最暗和最亮色调之间的差异
研究人员创造了极小的SPAD像素，并通过使用反馈机制设计了低功耗，该机制几乎可以立即抑制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
他们还使用了增强的布局技术来将SPAD传感器封装得更紧，从而提高了检测区域的密度，并使相机具有100万像素
研究人员随后应用复杂的集成电路设计技术，在大规模像素阵列上创建了极其均匀的快速电信号分布
他们显示快门速度在百万像素上只变化了3%，证明了这种传感器可以用现有的大规模生产技术来制造
高速三维成像 照相机的速度使得非常精确地测量光子撞击传感器的时间成为可能
该信息可用于计算单个光子从光源到摄像机的距离需要多长时间，称为飞行时间
将飞行时间信息与同时捕捉一百万个像素的能力相结合，能够以极高的速度重建三维图像
研究人员使用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到的物体，他们还使用相机获取了具有前所未有的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时间分辨率，并进一步使组件小型化，使其更适用于各种应用
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