Nyt fotontællerkamera optager 3D-billeder med rekordhastighed og opløsning

Forskere har udviklet det første megapixel foton-optællingskamera baseret på ny generation af billedsensorteknologi, der bruger single-foton lavinedioder (SPAD'er). Det nye kamera kan registrere enkeltfotoner af lys ved hidtil usete hastigheder, en kapacitet, der kan fremme applikationer, der kræver hurtig optagelse af 3D-billeder såsom augmented reality og LiDAR-systemer til autonome køretøjer.

"Takket være dens høje opløsning og evne til at måle dybde, dette nye kamera kunne gøre virtual reality mere realistisk og lade dig interagere med augmented reality -information på en mere problemfri måde, "sagde Edoardo Charbon fra Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab) ved École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz. Charbon udviklede ideen til det nye kamera og er grundlægger og leder af AQUALab, hvor billedsensoren blev designet.

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift for forskning med stor indvirkning, forskerne beskriver, hvordan de skabte en af ​​de mindste SPAD -pixels, der nogensinde er udtænkt og reducerede strømforbruget for hver pixel til mindre end 1 mikrowatt, samtidig med at hastigheden og timingpræcisionen blev opretholdt. Det nye kamera kan optage billeder på op til 24, 000 billeder i sekundet. Til sammenligning, 30 billeder i sekundet er standardhastigheden, der bruges til at optage video til fjernsyn.

"Til transportapplikationer, dette nye kamera kan hjælpe med at opnå hidtil uset niveau af autonomi og sikkerhed ved at gøre det muligt at bruge flere LiDAR-enheder med lav effekt til et køretøj, giver hurtig, højopløselig 3D-visning af omgivelserne, "sagde første forfatter, Kazuhiro Morimoto fra Canon Inc. i Japan. "I en noget fjernere fremtid, kvantekommunikation, sensing og computing kan alle drage fordel af fotontællingskameraer med multi-megapixel opløsning. "

En ny slags sensor

På mindre end 20 år, SPAD -sensorer er avanceret fra en nyhed til versioner, der er standard i de fleste smartphone -kameraer og mange husholdningsapparater. Denne teknologis succes kommer fra det faktum, at SPAD -sensorer er ekstremt effektive til at detektere enkelte fotoner og konvertere dem til elektriske signaler, der er lagret i en digital hukommelse. Et kamera i stort format kan oprettes ved at opbygge en række pixels, der hver indeholder en SPAD.

I det nye værk, forskerne trak på 15 års SPAD -forskning på AQUALab i EPFL for at skabe en ekstremt hurtig, kamera i høj opløsning, der udnytter SPAD-teknologi til avanceret billeddannelse. Det nye kamera registrerer enkelte fotoner og konverterer dem til elektriske signaler med en rekordhastighed på cirka 150 millioner gange i sekundet. Hver SPAD -sensor kan finstyres for at tillade lys ind på så lidt som 3,8 nanosekunder, cirka fire milliarddel af et sekund. Denne hurtige 'lukkerhastighed' kan optage ekstremt hurtig bevægelse eller bruges til at øge det dynamiske område - forskellen mellem de mørkeste og lyseste toner - for et erhvervet billede.

Forskerne lavede ekstremt små SPAD -pixels og designet til lavt strømforbrug ved hjælp af en feedbackmekanisme, der næsten øjeblikkeligt slukker lavinen af ​​elektroner, der udløses af fotondetektering. Dette forbedrer den overordnede ydeevne og pålidelighed af pixels. De brugte også forbedrede layoutteknikker til at pakke SPAD -sensorerne tættere, dermed øger densiteten for detekteringsområdet og muliggør et kamera med en million pixels.

Forskerne anvendte derefter sofistikerede integrerede kredsløbsteknikker til at skabe en ekstremt ensartet fordeling af hurtige elektriske signaler over det store pixelarray. De viste, at lukkerhastighederne kun varierede med 3 procent over de millioner pixels, demonstrerer, at denne sensor muligvis kan fremstilles ved hjælp af tilgængelige masseproduktionsteknikker.

Højhastigheds 3D-billeddannelse

Kameraets hastighed gør det muligt at måle den tid, en foton rammer sensoren meget præcist. Disse oplysninger kan bruges til at beregne, hvor lang tid det tager individuelle fotoner at rejse afstanden fra en kilde til kameraet, kendt som flyvetid. Kombination af information om flyvetid med evnen til at fange en million pixels samtidigt muliggør ekstrem højhastighedsrekonstruktion af 3D-billeder.

Forskerne brugte det nye kamera til at bestemme tidspunktet for flyvning af fotoner udsendt fra en laserkilde og reflekteret af et mål. De fangede også komplekse scener, der er vanskelige at måle andre billeddannelsesteknikker, f.eks. et objekt set gennem et delvist gennemsigtigt vindue, og de brugte kameraet til at erhverve konventionelle billeder med hidtil usete dynamiske områder. I fremtiden planlægger de at forbedre kameraets ydelse og timingopløsning yderligere og at minimere komponenterne yderligere for at gøre det mere praktisk til en række forskellige applikationer.