Forskare har utvecklat den första megapixelkameran för fotonräkning baserad på den nya generationens bildsensorteknologi som använder enfoton lavindioder (SPAD). Den nya kameran kan upptäcka enskilda fotoner av ljus med oöverträffade hastigheter, en förmåga som skulle kunna främja applikationer som kräver snabb insamling av 3D-bilder som förstärkt verklighet och LiDAR-system för autonoma fordon.

"Tack vare sin höga upplösning och förmåga att mäta djup, den här nya kameran kan göra virtuell verklighet mer realistisk och låta dig interagera med förstärkt verklighetsinformation på ett mer sömlöst sätt, " sa Edoardo Charbon från Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab) vid École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz. Charbon utvecklade idén till den nya kameran och är grundare och chef för AQUALab, där bildsensorn designades.

I Optica , The Optical Societys (OSA) tidskrift för forskning med hög effekt, forskarna beskriver hur de skapade en av de minsta SPAD-pixlar som någonsin utarbetats och minskade strömförbrukningen för varje pixel till mindre än 1 mikrowatt samtidigt som hastigheten och tidsprecisionen bibehölls. Den nya kameran kan ta bilder vid upp till 24, 000 bilder per sekund. För jämförelse, 30 bilder per sekund är standardhastigheten som används för att spela in video för TV.

"För transportapplikationer, den här nya kameran kan hjälpa till att uppnå oöverträffade nivåer av autonomi och säkerhet genom att möjliggöra att flera lågeffekts LiDAR-enheter kan användas på ett fordon, tillhandahåller snabbt, högupplöst 3D-vy av omgivningen, sa första författaren, Kazuhiro Morimoto från Canon Inc. i Japan. "I en något mer avlägsen framtid, kvantkommunikation, avkänning och beräkning kan alla dra nytta av fotonräknande kameror med multimegapixelupplösning."

En ny typ av sensor

På mindre än 20 år, SPAD-sensorer har avancerat från en nyhet till versioner som är standard i de flesta smartphonekameror och många hushållsenheter. Denna tekniks framgång kommer från det faktum att SPAD-sensorer är extremt effektiva på att detektera enstaka fotoner och omvandla dem till elektriska signaler som lagras i ett digitalt minne. En storformatskamera kan skapas genom att bygga en uppsättning pixlar som var och en innehåller en SPAD.

I det nya verket, forskarna utnyttjade 15 års SPAD-forskning vid AQUALab i EPFL för att skapa en extremt snabb, Högupplöst kamera som använder SPAD-teknik för avancerad bildbehandling. Den nya kameran upptäcker enstaka fotoner och omvandlar dem till elektriska signaler med en rekordhastighet på cirka 150 miljoner gånger per sekund. Varje SPAD-sensor kan finjusteras för att släppa in ljus i så lite som 3,8 nanosekunder, ungefär fyra miljarddels sekund. Den här snabba "slutarhastigheten" kan fånga extremt snabba rörelser eller användas för att öka det dynamiska omfånget – skillnaden mellan de mörkaste och ljusaste tonerna – för en förvärvad bild.

Forskarna skapade extremt små SPAD-pixlar och designade för låg strömförbrukning genom att använda en återkopplingsmekanism som nästan omedelbart släcker lavinen av elektroner som utlöses av fotondetektion. Detta förbättrar pixlarnas övergripande prestanda och tillförlitlighet. De använde också förbättrade layouttekniker för att packa SPAD-sensorerna tätare, vilket ökar detektionsområdets täthet och möjliggör en kamera med en miljon pixlar.

Forskarna tillämpade sedan sofistikerade integrerade kretsdesigntekniker för att skapa en extremt enhetlig fördelning av snabba elektriska signaler över den storskaliga pixeluppsättningen. De visade att slutartiderna varierade med endast 3 procent över miljoner pixlar, visar att denna sensor möjligen skulle kunna tillverkas med hjälp av tillgängliga massproduktionstekniker.

Höghastighets 3D-bilder

Kamerans hastighet gör det möjligt att mäta den tid en foton träffar sensorn mycket exakt. Denna information kan användas för att beräkna hur lång tid det tar för enskilda fotoner att resa avståndet från en källa till kameran, känd som time-of-flight. Genom att kombinera information om flygtid med möjligheten att fånga en miljon pixlar samtidigt möjliggörs extremt höghastighetsrekonstruktion av 3D-bilder.

Forskarna använde den nya kameran för att bestämma flygtiden för fotoner som emitteras från en laserkälla och reflekteras av ett mål. De fångade också komplexa scener som är svåra för andra bildtekniker att mäta, till exempel ett föremål som ses genom ett delvis genomskinligt fönster, och de använde kameran för att ta vanliga bilder med oöverträffade dynamiska omfång. I framtiden planerar de att ytterligare förbättra kamerans prestanda och timingupplösning och att ytterligare miniatyrisera komponenterna för att göra den mer praktisk för en mängd olika applikationer.