Onderzoekers hebben de eerste megapixel-fotonentellende camera ontwikkeld op basis van de nieuwe generatie beeldsensortechnologie die gebruikmaakt van single-photon lawinediodes (SPAD's). De nieuwe camera kan afzonderlijke lichtfotonen met ongekende snelheden detecteren, een mogelijkheid die toepassingen zou kunnen bevorderen die snelle acquisitie van 3D-beelden vereisen, zoals augmented reality en LiDAR-systemen voor autonome voertuigen.

"Dankzij de hoge resolutie en het vermogen om diepte te meten, deze nieuwe camera kan virtual reality realistischer maken en u op een meer naadloze manier laten communiceren met augmented reality-informatie, " zei Edoardo Charbon van het Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab) aan de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland. Charbon ontwikkelde het idee voor de nieuwe camera en is de oprichter en hoofd van AQUALab, waar de beeldsensor is ontworpen.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor high-impact onderzoek, de onderzoekers beschrijven hoe ze een van de kleinste SPAD-pixels ooit hebben gemaakt en het stroomverbruik van elke pixel hebben teruggebracht tot minder dan 1 microwatt met behoud van snelheid en timingprecisie. De nieuwe camera kan tot 24 beelden vastleggen, 000 beelden per seconde. Ter vergelijking, 30 frames per seconde is de standaardsnelheid die wordt gebruikt om video op te nemen voor televisie.

"Voor transporttoepassingen, deze nieuwe camera zou kunnen helpen ongekende niveaus van autonomie en veiligheid te bereiken door het gebruik van meerdere LiDAR-apparaten met laag vermogen op een voertuig mogelijk te maken, snel leveren, hoge resolutie 3D-weergave van de omgeving, " zei eerste auteur, Kazuhiro Morimoto van Canon Inc. in Japan. "In een wat verre toekomst, kwantumcommunicatie, detectie en computergebruik kunnen allemaal profiteren van fotonen-tellende camera's met een resolutie van meerdere megapixels."

Een nieuw soort sensor

In minder dan 20 jaar, SPAD-sensoren zijn van een nieuwigheid gevorderd tot versies die standaard zijn in de meeste smartphonecamera's en veel huishoudelijke apparaten. Het succes van deze technologie is te danken aan het feit dat SPAD-sensoren uiterst efficiënt zijn in het detecteren van afzonderlijke fotonen en deze omzetten in elektrische signalen die worden opgeslagen in een digitaal geheugen. Een grootformaat camera kan worden gemaakt door een reeks pixels te bouwen die elk een SPAD bevatten.

In het nieuwe werk de onderzoekers putten uit 15 jaar SPAD-onderzoek in het AQUALab in EPFL om een ​​extreem snelle, camera met hoge resolutie die gebruikmaakt van SPAD-technologie voor geavanceerde beeldvorming. De nieuwe camera detecteert enkele fotonen en zet deze om in elektrische signalen met een recordsnelheid van ongeveer 150 miljoen keer per seconde. Elke SPAD-sensor kan nauwkeurig worden geregeld om licht binnen te laten voor slechts 3,8 nanoseconden, ongeveer vier miljardste van een seconde. Deze snelle 'sluitertijd' kan extreem snelle bewegingen vastleggen of worden gebruikt om het dynamisch bereik - het verschil tussen de donkerste en lichtste tonen - van een vastgelegd beeld te vergroten.

De onderzoekers creëerden extreem kleine SPAD-pixels en ontworpen voor een laag stroomverbruik door gebruik te maken van een feedbackmechanisme dat de lawine van elektronen die wordt veroorzaakt door fotondetectie vrijwel onmiddellijk dooft. Dit verbetert de algehele prestaties en betrouwbaarheid van de pixels. Ze gebruikten ook verbeterde lay-outtechnieken om de SPAD-sensoren strakker in te pakken, waardoor de dichtheid van het detectiegebied wordt verhoogd en een camera met een miljoen pixels mogelijk wordt.

De onderzoekers pasten vervolgens geavanceerde ontwerptechnieken voor geïntegreerde schakelingen toe om een ​​extreem uniforme verdeling van snelle elektrische signalen over de grootschalige pixelarray te creëren. Ze toonden aan dat de sluitertijden slechts 3 procent varieerden over de miljoen pixels, wat aantoont dat deze sensor haalbaar zou kunnen zijn met behulp van beschikbare massaproductietechnieken.

Hoge snelheid 3D-beeldvorming

De snelheid van de camera maakt het mogelijk om heel precies te meten hoe lang een foton de sensor raakt. Deze informatie kan worden gebruikt om te berekenen hoe lang het duurt voor individuele fotonen om de afstand van een bron naar de camera af te leggen, bekend als vluchttijd. Door time-of-flight-informatie te combineren met de mogelijkheid om een ​​miljoen pixels tegelijk vast te leggen, wordt een extreem snelle reconstructie van 3D-beelden mogelijk.

De onderzoekers gebruikten de nieuwe camera om de vluchttijd te bepalen van fotonen die door een laserbron worden uitgezonden en door een doelwit worden gereflecteerd. Ze legden ook complexe scènes vast die voor andere beeldvormingstechnieken moeilijk te meten zijn, zoals een object bekeken door een gedeeltelijk transparant venster, en ze gebruikten de camera om conventionele foto's te maken met een ongekend dynamisch bereik. In de toekomst zijn ze van plan de prestaties en timingresolutie van de camera verder te verbeteren en de componenten verder te miniaturiseren om het praktischer te maken voor een verscheidenheid aan toepassingen.