（文章來源：科技報(bào)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(shù)，開發(fā)出了第一臺(tái)百萬像素光子計(jì)數(shù)相機(jī)。這種新型相機(jī)可以以前所未有的速度檢測(cè)單光子，這種能力可以推動(dòng)需要快速獲取三維圖像的應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)等。

瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）高級(jí)量子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（AQUALab）的Edoardo Charbon說："由于其高分辨率和測(cè)量深度的能力，這種新的相機(jī)可以讓虛擬現(xiàn)實(shí)變得更加逼真，讓你以更無縫的方式與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息進(jìn)行交互。"Charbon提出了新相機(jī)的想法，他是AQUALab的創(chuàng)始人和負(fù)責(zé)人，圖像傳感器就是在這里設(shè)計(jì)的。

在光學(xué)協(xié)會(huì)（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(gè)像素的功耗降低到1微瓦以下，同時(shí)保持速度和時(shí)序精度。這種新的相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)速率。

"對(duì)于交通領(lǐng)域的應(yīng)用，這種新相機(jī)可以通過在一輛車上使用多個(gè)低功耗的LiDAR設(shè)備，提供快速、高分辨率的三維環(huán)境視圖，幫助實(shí)現(xiàn)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(jì)算都可以從具有百萬像素分辨率的光子計(jì)數(shù)相機(jī)中受益。"

在不到20年的時(shí)間里，SPAD傳感器已經(jīng)從一個(gè)新奇的產(chǎn)品發(fā)展到了大多數(shù)智能手機(jī)、相機(jī)和許多家用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置。這項(xiàng)技術(shù)的成功來自于SPAD傳感器在檢測(cè)單個(gè)光子并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)器中的效率極高。通過建立一個(gè)像素陣列，每個(gè)像素都包含一個(gè)SPAD，就可以創(chuàng)建一個(gè)大尺寸相機(jī)。

在本研究中，研究人員借鑒了EPFL的AQUAL實(shí)驗(yàn)室15年的SPAD研究經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造出了一個(gè)速度極快、分辨率極高的相機(jī)，利用SPAD技術(shù)進(jìn)行高級(jí)成像。這款新相機(jī)可以檢測(cè)到單個(gè)光子，并以每秒約1.5億次的記錄速度將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。每個(gè)SPAD傳感器可以被精細(xì)控制，讓光線進(jìn)入的時(shí)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(yùn)動(dòng)，也可以用來增加動(dòng)態(tài)范圍（最暗和最亮的色調(diào)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(jī)制設(shè)計(jì)出了極小的SPAD像素，通過使用反饋機(jī)制，幾乎可以立即熄滅光子檢測(cè)觸發(fā)的電子雪崩，從而實(shí)現(xiàn)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(qiáng)型布局技術(shù)將SPAD傳感器封裝得更緊密，從而提高了檢測(cè)面積密度，實(shí)現(xiàn)了百萬像素的攝像頭。

隨后，研究人員應(yīng)用復(fù)雜的集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，在大規(guī)模像素陣列上形成了極為均勻的快速電信號(hào)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(xiàn)有的量產(chǎn)技術(shù)。相機(jī)的速度使其能夠非常精確地測(cè)量光子到達(dá)傳感器的時(shí)間。這些信息可用于計(jì)算單個(gè)光子從源頭到相機(jī)所需的時(shí)間，稱為飛行時(shí)間。將飛行時(shí)間信息與同時(shí)捕獲100萬個(gè)像素的能力結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)快速重建三維圖像。

研究人員利用新型相機(jī)確定了激光源發(fā)射的光子和目標(biāo)反射的光子的飛行時(shí)間。他們還捕捉到了其他成像技術(shù)難以測(cè)量的復(fù)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(jī)獲得了具有前所未有的動(dòng)態(tài)范圍的傳統(tǒng)圖片。今后，他們計(jì)劃進(jìn)一步提高相機(jī)的性能和時(shí)序分辨率，并進(jìn)一步將部件小型化，使其更實(shí)用于各種應(yīng)用。
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