Исследователи разработали первую мегапиксельную камеру для счета фотонов на основе сенсорной технологии нового поколения, в которой используются однофотонные лавинные диоды (SPAD). Новая камера может обнаруживать одиночные фотоны света с беспрецедентной скоростью, что позволяет продвигать приложения, требующие быстрого получения трехмерных изображений, таких как дополненная реальность и системы LiDAR для автономных транспортных средств.
«Благодаря своему высокому разрешению и способности измерять глубину эта новая камера может сделать виртуальную реальность более реалистичной и позволить вам взаимодействовать с информацией дополненной реальности более плавно», – сказал Эдоардо Чарбон из Лаборатории усовершенствованной квантовой архитектуры (AQUALab) в École. Политехническая федерация Лозанны (EPFL) в Швейцарии. Charbon разработал идею для новой камеры и является основателем и руководителем AQUALab, где был разработан датчик изображения.
Исследовательская группа опубликовала свои результаты в журнале Optica, журнале The Optical Society (OSA), в котором описывается способ создания одного из самых маленьких пикселей SPAD за все время с разработанным и сниженным энергопотреблением каждого пикселя до уровня менее 1 микроватта при сохранении скорости и точности синхронизации. Новая камера может получать изображения со скоростью до 24 000 кадров в секунду. Для сравнения, 30 кадров в секунду – это стандартная скорость, используемая для записи видео для телевидения.
(Изображение: Арианна М. Чарбон, Казухиро Моримото, Эдоардо Чарбон)
Чрезвычайно маленькие пиксели SPAD были изготовлены с использованием механизма обратной связи, который почти сразу гасит лавину электронов, вызванную детектированием фотонов. Они также использовали усовершенствованные методы компоновки для более плотной упаковки датчиков SPAD, увеличивая таким образом плотность зоны обнаружения и позволяя камере с миллионом пикселей. Затем исследователи применили методы проектирования интегральных схем для создания равномерного распределения быстрых электрических сигналов по крупномасштабной матрице пикселей. Они показали, что скорости затвора варьировались всего на 3 процента на миллион пикселей, демонстрируя, что этот датчик может быть реально изготовлен с использованием доступных методов массового производства.
Скорость камеры позволяет очень точно измерить время попадания фотона на датчик. Эта информация может использоваться для расчета того, сколько времени требуется отдельным фотонам, чтобы пройти расстояние от источника до камеры, известное как время полета. Объединение информации о времени полета с возможностью захвата миллиона пикселей одновременно обеспечивает чрезвычайно быструю реконструкцию трехмерных изображений.
«Для транспортных применений эта новая камера может помочь достичь беспрецедентных уровней автономности и безопасности, позволяя использовать несколько транспортных средств LiDAR с низким энергопотреблением на автомобиле, обеспечивая быстрый 3D-обзор с высоким разрешением окружающей среды», – сказал первый автор, Казухиро. Моримото из Canon Inc. в Японии. «В несколько более отдаленном будущем квантовые коммуникации, зондирование и вычисления могут выиграть от счетчиков фотонов с разрешением в несколько мегапикселей».
,
