Revolutionierung der Bildgebung: Megapixel-Photonen-zählende Kameras für ultra-schnelle, ultra-präzise Vision

Stellen Sie sich eine Kamera vor, die Bilder mit der Auflösung eines einzelnen Photons bei 24.000 Bildern pro Sekunde aufnimmt. Dank eines elektronischen Verschlusses, der nur 3,8 ns offen bleiben kann und mit schnellen Laserpulsen von nur wenigen Pikosekunden Dauer synchronisiert werden kann, kann man buchstäblich sehen, wie sich Licht durch den Raum ausbreitet. Mit dieser Fähigkeit eröffnen sich neue Anwendungen wie Quanten-Vision, Ghost Imaging, Sub-Shot-Noise Imaging, Quanten-LiDAR und Quanten-Destillation, um nur einige zu nennen.

Gemeinsam ist diesen Anwendungen der Bedarf an Einzelphotonendetektion und hoher Zeitauflösung mit geringem Rauschen und hoher Empfindlichkeit. Diese neue Kamera leistet all das, aber zusätzlich auf einer Million Pixel gleichzeitig, was eine erhebliche Beschleunigung bei der Aufnahme und möglicherweise bei der Rekonstruktion ermöglicht. Im Kern dieser Pixel befindet sich eine Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), die die Photonendetektion durchführt und einen digitalen Impuls erzeugt. Dieser Impuls kann gezählt oder mit einem Zeitstempel versehen werden, was der Kamera ihren Photonenzähl- und zeitaufgelösten Charakter verleiht.

In einem im peer-reviewten Journal Optica veröffentlichten Paper präsentierten wir die erste 1-Megapixel-Kamera basierend auf SPAD-Pixeln. Die Pixel haben einen Pitch von 9,4 µm mit einer 7T- (7 Transistoren pro Pixel) oder 5,75T-Architektur. Das Mikrofoto des Kamerachips ist in Abbildung 1(b) gezeigt. Das Blockdiagramm der Kamera ist in Abbildung 1(a) dargestellt; es umfasst einen dualen Binärbaum zur Steuerung des Verschlusses mit einer Präzision von etwa 100 ps und einer positionsverstellbaren Schrittweite von 36 ps. Dies ermöglicht die Rekonstruktion von 3D-Bildern durch Messung der Flugzeit eines Lichtpulses, wenn er den Laser verlässt und von einem Objekt reflektiert wird. Es ermöglicht auch die Aufnahme von Licht im Flug, wodurch interessante relativistische Effekte im Labor sichtbar werden.

Der Chip wurde als Intensitätsbildsensor mit einem Standard-Chart (Abbildung 2(a)) bis zu 14 Bit auf Pixelebene getestet. Abbildungen 3(a) und (b) zeigen 2D- und farbkodierte 3D-Bilder, die durch Beleuchten einer Szene mit einem 637-nm-Laser, gepulst bei 40 MHz, und Aufnahme auf dem Halbauflösungs-Bildsensor gewonnen wurden. Das Gatterfenster mit seiner Länge von 3,8 ns wird von 0,6 ns auf 13,2 ns in Schritten von 36 ps verschoben, um vollständige Photonenintensitätsprofile als Funktion der Gatterposition zu erfassen.

Der Distanz-LSB in dieser Messung entspricht 5,4 mm. Die Tiefeninformation wird durch Detektion der Anstiegsflankenposition des geglätteten Intensitätsprofils für jeden Pixel rekonstruiert, was der Ankunftszeit des reflektierten Laserpulses entspricht. Der Gatter-Timing-Versatz über den Array wird kompensiert, indem die unabhängig gemessene Timing-Skew-Verteilung von der gemessenen Ankunftszeitverteilung subtrahiert wird. In Abbildung 3(b) bezeichnet Rot höhere Nähe zur SPAD-Kamera, während Blau größere Distanz entspricht. Der maximale Tiefenbereich für diese Messung wurde auf 2 m festgelegt, kann aber auf Zehner von Metern erweitert werden, indem die Laser-Wiederholfrequenz verringert und der Gatterschritt erhöht wird.

Der feine Gatter-Scan-Pitch und die lange Belichtung werden verwendet, um hohe Tiefenpräzision zu erreichen, und die resultierende Datenerfassungszeit für diese Messung betrug einige zehn Sekunden. Dies ist deutlich länger als bei anderen Entfernungsmessverfahren wie indirektem Time-of-Flight, kann aber durch Erhöhen des Gatter-Scan-Pitchs, Verringern des Scanbereichs und Erhöhen der Laserleistung zur Reduzierung der Belichtungszeit leicht verkürzt werden. Zudem wird eine weitere Verbesserung durch die Implementierung eines On-Chip-Mikrolinsenarrays zur Erhöhung der Empfindlichkeit erwartet.

Abbildung 3(c) zeigt die gemessene Distanz als Funktion der tatsächlichen Objektdistanz. In den Abbildungen 3(c), (d) und (e) wird ein flaches, mit weißem Papier bedecktes Objekt (Reflexion ca. 60 %) verwendet, um die gemessene Distanz, Genauigkeit und Präzision zu evaluieren. In Abbildung 3(c) wird die gemessene Distanz durch Mittelung der Einzelpixel-Distanz über 20×20 Pixel im Zentrum des Arrays extrahiert. Eine sehr gute Übereinstimmung mit der tatsächlichen Distanz wird im gemessenen Bereich von 0,2 bis 1,6 m beobachtet. In Abbildung 3(d) wird die Distanzgenauigkeit als Differenz zwischen gemittelter gemessener Distanz und tatsächlicher Distanz berechnet. Für den gemessenen Distanzbereich ist die Genauigkeit stets besser als 1 cm. In Abbildung 3(e) wird die Distanzpräzision als Standardabweichung der Einzelpixel-Distanz über 20×20 Pixel im Zentrum des Arrays ausgenutzt. Die Präzision ist für alle gemessenen Punkte bis 1,6 m besser als 7,8 mm (rms).

Multi-Objekt-Detektion wurde experimentell entweder durch Kodierung zeitlicher Beleuchtung oder Belichtungsmuster demonstriert, was einen großen Rechenaufwand zur Rekonstruktion von 3D-Bildern erfordert. Ein time-gated Time-of-Flight-Sensor bietet eine alternative, skalierbare Lösung durch kompakte Pixel-Schaltungen und weniger komplexe Berechnung.

Abbildung 4(a) zeigt den Versuchsaufbau: Ein 510-nm-Laserstrahl, gepulst bei 40 MHz, wird durch einen Diffusor gestreut und beleuchtet ein kugelförmiges Ziel. Die SPAD-Kamera wird mit dem Laser-Triggersignal synchronisiert, und eine transparente Kunststoffplatte wird zwischen Kamera und Objekt eingefügt. Die Entfernungen von der Kamera zur Kunststoffplatte und zum Objekt betragen 0,45 m bzw. 0,75 m. Abbildung 4(b) zeigt 2D-Intensitätsbilder unter Innenbeleuchtung mit und ohne eingelegte Kunststoffplatte. Da die Platte fast transparent ist, wird in den 2D-Bildern für diese beiden Fälle kein signifikanter Unterschied beobachtet.

Die gemessenen Time-Gating-Profile für drei repräsentative Punkte (A, B und C) sind in Abbildung 4(c) dargestellt. Ohne Platte zeigen die Time-Gating-Profile für Punkt A und B nur eine einzelne geglättete Rechteckfunktions-Wellenform mit ihrer Anstiegsflanke um Gatterposition 100 (ein Schritt der Position entspricht 36 ps). Für Punkt C bleibt die Photonenzahl über den gemessenen Gatterpositionsbereich nahe Null, was anzeigt, dass an diesem Pixel kein reflektierendes Objekt detektiert wird.

Mit der Kunststoffplatte zeigt das Profil an Punkt A hingegen zwei Anstiegsflanken um Gatterpositionen 40 und 100. Da das gemessene Profil der Photonenzahlen eine Faltung einer einzelnen geglätteten Rechteckfunktion und der reflektierten Photonenintensitätsverteilung ist, ist das zweistufige Profil ein überzeugender Beweis für die Doppelreflexion von der Kunststoffplatte und dem kugelförmigen Objekt. Ähnliches Verhalten wird an Punkt B beobachtet, wo die Steigung der ersten Anstiegsflanke um Gatterposition 40 milder ist als die von Punkt A. Das Profil an Punkt C zeigt nur eine einzelne Anstiegsflanke um Gatterposition 40, entsprechend der Reflexion von der Kunststoffplatte. Die Variation der Steigung der Anstiegsflanke um Gatterposition 40 zwischen verschiedenen Punkten wird durch die nicht-uniforme Reflexion von der Oberfläche der Kunststoffplatte verursacht.

Die Ergebnisse demonstrieren die Fähigkeit einer time-gated SPAD-Kamera, räumlich überlagerte Multi-Objekt-Detektion durchzuführen. Beachten Sie, dass das vorgeschlagene Schema auf die Detektion von mehr als zwei Reflexionspeaks angewendet werden kann. Feineres Scannen des virtuellen Gatterfensters in der Nachbearbeitung ermöglicht die systematische Detektion mehrerer Peaks. Die minimal auflösbare Distanz zwischen zwei benachbarten reflektierenden Materialien ist fundamental durch die endliche Anstiegs- oder Abfallszeit des Gatterfensterprofils begrenzt, was in diesem SPAD-Sensor 5–10 cm entspricht.

Zusammenfassend wurde erstmals ein 1-Megapixel time-gated SPAD-Bildsensor berichtet. In der SPAD-Forschung galt das Erreichen eines Megapixel-SPAD-Sensors seit über einem Jahrzehnt als einer der wichtigsten Meilensteine. Der Sensor wird für High-Dynamic-Range-2D-Bildgebung und hochauflösende 3D-Bildgebung mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung angewendet. Soweit uns bekannt, wurde die räumlich überlagerte Multi-Objekt-Detektion mit Single-Photon-Time-Gating-Schema erstmals experimentell demonstriert.

Abbildung 5 zeigt einen State-of-the-Art-Vergleich von SPAD-Pixel-Pitch und Array-Größe. Die Array-Größe des Sensors ist die größte, fast 4-mal höher als die des State-of-the-Art-Sensors, während der Pixel-Pitch einer der kleinsten ist. Aufgrund seiner hochauflösenden 2D- und 3D-Bildgebungsfähigkeiten wird der vorgeschlagene Sensor in einer Vielzahl industrieller Anwendungen nützlich sein, wie Sicherheit, Automobil, Robotik, Biomedizin und wissenschaftliche Anwendungen, einschließlich Quantenbildgebung und ultra-hochgeschwindigkeitsbildgebung.

Vollständigen Bericht zur Technologie aus dem wissenschaftlichen Journal Optica lesen .

Dieser Artikel wurde von Edoardo Charbon, Professor, EPFL Schweiz (Lausanne, Schweiz) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier .