Создана камера для подсчета фотонов с рекордной скоростью и захватом 3D изображений

Исследователи разработали первую мегапиксельную камеру для подсчета 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 политехнической федерации Лозанны (EPFL) в Швейцарии разработалм идею для новой камеры. Лаборатория является основателем и руководителем AQUALab, где был разработан датчик изображения.

В журнале Optica исследователи описывают, как они создали один из самых маленьких пикселей SPAD, когда-либо созданных, и снизили энергопотребление каждого пикселя до уровня менее 1 микроватта, сохраняя при этом скорость и точность 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.

«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».

Новый вид сенсора

Менее чем за 20 лет сенсоры SPAD перешли от новинки к версиям, стандартным для большинства камер смартфонов и многих бытовых устройств. Успех этой технологии обусловлен тем, что датчики SPAD чрезвычайно эффективны при обнаружении одиночных фотонов и преобразовании их в электрические сигналы, которые хранятся в цифровой памяти. Камеру большого формата можно создать, создав массив пикселей, каждый из которых содержит SPAD.

В новой работе исследователи опирались на 15-летнее исследование SPAD в AQUALab, чтобы создать чрезвычайно быструю камеру с высоким разрешением, которая использует технологию SPAD для продвинутой визуализации. Новая камера обнаруживает одиночные фотоны и преобразует их в электрические сигналы со скоростью записи около 150 миллионов раз в секунду. Каждый датчик SPAD может быть точно отрегулирован, чтобы позволить свету достичь его всего за 3,8 наносекунды, примерно четыре миллиардной доли секунды. Эта быстрая выдержка может захватывать чрезвычайно быстрое движение или использоваться для увеличения динамического диапазона (разницы между самыми темными и самыми светлыми тонами) на полученном изображении.

Исследователи создали очень маленькие пиксели SPAD, которые рассчитаны на низкое энергопотребление, используя механизм обратной связи, который почти сразу же гасит лавину электронов, вызванную детектированием фотонов. Это улучшает общую производительность и надежность пикселей. Они также использовали усовершенствованные методы компоновки для более плотной упаковки датчиков SPAD, увеличивая таким образом плотность зоны обнаружения и позволяя камере работать с миллионом пикселей.

Затем исследователи применили сложные методы проектирования интегральных схем для создания чрезвычайно 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.

Высокоскоростная 3D-визуализация

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.

Исследователи использовали новую камеру для определения времени пролета фотонов, излучаемых лазерным источником и отражаемых от цели. Они также снимали сложные сцены, которые трудно измерить другими методами визуализации, например, объект, просматриваемый через частично прозрачное окно, и они использовали камеру для получения обычных изображений с беспрецедентными динамическими диапазонами. В будущем планируется дальнейшее улучшение производительности и временного разрешения камеры, а также дальнейшее миниатюризация компонентов, чтобы сделать ее более практичной для различных применений.

-=GadZZillA=-

Компьютерный системный администратор, веб-огородник, IT-шник, специалист по строительным материалам, создатель и администратор проекта "Лаборатория Рабочих Столов"

Вас также может заинтересовать...

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

 

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.