（文章來源：科技報告與資訊）
研究人員基于使用單光子雪崩二極管（SPADs）的新一代圖像傳感器技術，開發(fā)出了第一臺百萬像素光子計數相機。這種新型相機可以以前所未有的速度檢測單光子，這種能力可以推動需要快速獲取三維圖像的應用，如增強現實和自動駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)等。

瑞士洛桑理工學院（EPFL）高級量子結構實驗室（AQUALab）的Edoardo Charbon說："由于其高分辨率和測量深度的能力，這種新的相機可以讓虛擬現實變得更加逼真，讓你以更無縫的方式與增強現實信息進行交互。"Charbon提出了新相機的想法，他是AQUALab的創(chuàng)始人和負責人，圖像傳感器就是在這里設計的。

在光學協(xié)會（OSA）的高影響力研究期刊《Optica》上，研究人員描述了他們是如何創(chuàng)造出有史以來最小的SPAD像素之一，并將每個像素的功耗降低到1微瓦以下，同時保持速度和時序精度。這種新的相機可以以每秒24,000幀的速度獲取圖像。相比之下，每秒30幀是電視視頻錄制的標準速率。

"對于交通領域的應用，這種新相機可以通過在一輛車上使用多個低功耗的LiDAR設備，提供快速、高分辨率的三維環(huán)境視圖，幫助實現前所未有的自主性和安全性。"第一作者、來自日本佳能公司的Kazuhiro Morimoto說。"未來，量子通信、傳感和計算都可以從具有百萬像素分辨率的光子計數相機中受益。"

在不到20年的時間里，SPAD傳感器已經從一個新奇的產品發(fā)展到了大多數智能手機、相機和許多家用設備的標準配置。這項技術的成功來自于SPAD傳感器在檢測單個光子并將其轉化為電信號存儲在數字存儲器中的效率極高。通過建立一個像素陣列，每個像素都包含一個SPAD，就可以創(chuàng)建一個大尺寸相機。

在本研究中，研究人員借鑒了EPFL的AQUAL實驗室15年的SPAD研究經驗，創(chuàng)造出了一個速度極快、分辨率極高的相機，利用SPAD技術進行高級成像。這款新相機可以檢測到單個光子，并以每秒約1.5億次的記錄速度將其轉換為電信號。每個SPAD傳感器可以被精細控制，讓光線進入的時間只有3.8納秒，約為40億分之一秒。這種快速的 "快門速度 "可以捕捉到極快的運動，也可以用來增加動態(tài)范圍（最暗和最亮的色調之間的差異）。

研究人員創(chuàng)造了極小的SPAD像素，并通過使用反饋機制設計出了極小的SPAD像素，通過使用反饋機制，幾乎可以立即熄滅光子檢測觸發(fā)的電子雪崩，從而實現低功耗。這提高了像素的整體性能和可靠性。他們還利用增強型布局技術將SPAD傳感器封裝得更緊密，從而提高了檢測面積密度，實現了百萬像素的攝像頭。

隨后，研究人員應用復雜的集成電路設計技術，在大規(guī)模像素陣列上形成了極為均勻的快速電信號分布。他們表明，在百萬像素上，快門速度僅有3%的變化，這表明這種傳感器可以利用現有的量產技術。相機的速度使其能夠非常精確地測量光子到達傳感器的時間。這些信息可用于計算單個光子從源頭到相機所需的時間，稱為飛行時間。將飛行時間信息與同時捕獲100萬個像素的能力結合在一起，可以實現快速重建三維圖像。

研究人員利用新型相機確定了激光源發(fā)射的光子和目標反射的光子的飛行時間。他們還捕捉到了其他成像技術難以測量的復雜場景，例如通過部分透明的窗口觀察物體，他們利用該相機獲得了具有前所未有的動態(tài)范圍的傳統(tǒng)圖片。今后，他們計劃進一步提高相機的性能和時序分辨率，并進一步將部件小型化，使其更實用于各種應用。
（責任編輯：fqj）