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相机|光子计数相机以创记录的速度和分辨率捕获3D图像


北京联盟_本文原题：光子计数相机以创记录的速度和分辨率捕获3D图像
文/Kazuhiro Morimoto
研究人员基于使用单光子雪崩二极管（SPAD）的新一代图像传感器技术 ， 开发出了第一台百万像素的光子计数相机 。 这种新型相机能够以前所未有的速度探测到单个光子 ， 这一能力可以推动需要快速获取3D图像的应用 ， 例如增强现实和用于自动驾驶车辆的激光雷达系统等 。
“得益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 ， 并且能让人以更加无缝流畅的方式与增强现实信息进行交互 。 ”瑞士洛桑理工学院（EPFL）高级量子结构实验室（AQUALab）的Edoardo Charbon介绍说 。 Charbon提出了这款新相机的概念 ， 他是AQUALab的创始人和负责人 ， 这款图像传感器就是在AQUALab设计的 。
在光学学会（OSA）的研究型期刊《Optica》上 ， 研究人员描述了他们是如何创造出历史上最小的SPAD像素的 ， 并且在保持速度和时序精度的同时 ， 将每个像素的功耗降低到小于1μW 。 这种新型相机每秒可拍摄多达24000帧的图像 。 相比之下 ， 每秒30帧是用于录制电视视频的标准速率 。
“对于交通应用来说 ， 这种新型相机可以通过在车辆上使用多个低功率激光雷达设备 ， 提供快速、高分辨率的3D环境视图 ， 从而帮助车辆实现前所未有的自主性和安全性 。 ”日本佳能公司的Kazuhiro Morimoto说 ， “未来 ， 量子通信、传感和计算都可以受益于具有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传感器已经从一个新奇的产品发展到大多数智能手机摄像头和许多家用设备中的标准产品 。 这项技术的成功来自于SPAD传感器在探测单个光子、并将其转换为存储在数字存储器中的电信号方面的极高效率 。 通过构建一个像素阵列（每个像素都包含一个SPAD） ， 可以创建大幅面的相机 。
在这项新的研究中 ， 研究人员利用了15年在瑞士洛桑理工学院的AQUALab进行SPAD研究 ， 创造了一种速度极快的高分辨相机 ， 其利用SPAD技术实现高级成像 。 这款新相机探测到单个光子 ， 并以每秒约1.5亿次的记录速率将其转换成电信号 。 每一个SPAD传感器都可以被精细地控制 ， 允许光进入的时间可以短到只有3.8ns（大约是40亿分之一秒） 。 这种极快的“快门速度”可以捕捉到极快的运动 ， 也可以用来增加捕获到的图像的动态范围（即最暗和最亮色调之间的差别） 。
研究人员创造了极小的SPAD像素 ， 并利用一种反馈机制实现了低功耗设计 ， 这种反馈机制几乎可以立即熄灭光子探测引发的电子雪崩 。 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 ， 将SPAD传感器封装得更紧密 ， 从而提高了探测区域的密度 ， 从而实现了拥有百万像素的相机 。
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创建一个非常均匀的快速电信号分布 。 他们显示了快门速度在百万像素上的变化只有3% ， 这表明这种传感器可以使用现有的大规模生产技术制造 。
高速3D成像
相机的速度使其能够非常精确地测量光子达到传感器的时间 。 此信息可用于计算单个光子从光源到达相机所需要的时间 ， 称为飞行时间 。 将飞行时间信息与同时捕获100万像素的能力结合起来 ， 可以实现极其高速的3D图像重建 。
研究人员使用这台新型相机来确定光子从激光源发射并被目标反射回的飞行时间 。 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 ， 并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间分辨率 ， 并进一步将部件小型化 ， 使其更适用于各类应用 。
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