具有记录速度和分辨率的新型光子计数相机，用于3D图像捕获

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。

百万像素图像传感器可以为自动驾驶汽车的增强现实和LiDAR系统带来重大改进。

研究人员已经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）。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LiDAR系统。

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

InOptica是美国光学协会（OSA）进行高影响力研究的期刊，研究人员描述了他们如何制造出有史以来最小的SPAD像素之一，并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。新相机可以以每秒24,000帧的速度获取图像。为了进行比较，每秒30帧是用于录制电视视频的标准速率。

第一作者Kazuhiro说：“在交通运输应用中，这种新型摄像机可以通过在车辆上使用多个低功率LiDAR设备，从而提供快速，高分辨率的3D视图，从而帮助实现前所未有的自治性和安全性。”日本佳能公司的森本。“在更遥远的未来，量子通信，传感和计算都将受益于具有数百万像素分辨率的光子计数相机。”

新型传感器

在不到20年的时间里，SPAD传感器已经从新颖性发展到大多数智能手机相机和许多家用设备中的标准版本。这项技术的成功源于以下事实：SPAD传感器在检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。可以通过构建每个包含SPAD的像素阵列来创建大幅面相机。

在这项新工作中，研究人员在EPFL的AQUALab进行了15年的SPAD研究，以创建一种利用SPAD技术进行高级成像的超快，高分辨率相机。新的相机检测单光子，并将其转换为电信号，其记录速度约为每秒1.5亿次。可以对每个SPAD传感器进行精细控制，以允许光在短于3.8纳秒的时间内，大约为每秒四十亿分之一。这种快速的“快门速度”可以捕获极快的运动，或用于增加所获取图像的动态范围（最暗和最亮色调之间的差异）。

研究人员创建了一个非常小的SPAD像素，并通过使用一种反馈机制来设计以降低功耗，该反馈机制几乎立即消除了由光子检测触发的电子雪崩。这改善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。

然后，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成像

相机的速度使得可以非常精确地测量光子撞击传感器的时间。此信息可用于计算单个光子从光源到相机的距离所花费的时间，即飞行时间。将飞行时间信息与同时捕获一百万个像素的能力结合在一起，可以实现3D图像的超高速重建。

研究人员使用这种新相机来确定从激光源发出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，例如通过部分透明的窗口查看的物体，并且他们使用相机获取了具有空前动态范围的常规图像。将来，他们计划进一步改善摄像机的性能和定时分辨率，并进一步缩小组件的尺寸，使其在各种应用中更加实用。

有关此相机的更多信息，请阅读MegaX：第一台捕获最小的光粒子的相机。

参考：森本和宏，安德烈·阿德莱恩，吴明Lo，阿林·乌尔库，伊万·安托洛维奇，克劳迪奥·布鲁斯基尼和爱德华多·夏邦，“用于2D和3D成像应用的百万像素时控SPAD图像传感器”，Optica.DOI：
10.1364 / OPTICA.386574