I ricercatori hanno sviluppato la prima fotocamera per il conteggio dei fotoni da megapixel basata su una tecnologia di sensori di immagine di nuova generazione che utilizza diodi a valanga a fotone singolo (SPAD). La nuova fotocamera è in grado di rilevare singoli fotoni di luce a velocità senza precedenti, una capacità che potrebbe far progredire le applicazioni che richiedono l'acquisizione rapida di immagini 3D come la realtà aumentata e i sistemi LiDAR per veicoli autonomi.

"Grazie alla sua alta risoluzione e alla capacità di misurare la profondità, questa nuova fotocamera potrebbe rendere la realtà virtuale più realistica e permetterti di interagire con le informazioni della realtà aumentata in modo più fluido, " ha affermato Edoardo Charbon dell'Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab) presso l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera. Charbon ha sviluppato l'idea per la nuova fotocamera ed è il fondatore e capo di AQUALab, dove è stato progettato il sensore di immagine.

In ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori descrivono come hanno creato uno dei pixel SPAD più piccoli mai ideati e hanno ridotto il consumo energetico di ciascun pixel a meno di 1 microwatt, mantenendo velocità e precisione temporale. La nuova fotocamera può acquisire immagini fino a 24, 000 fotogrammi al secondo. Per confronto, 30 fotogrammi al secondo è la velocità standard utilizzata per registrare video per la televisione.

"Per le applicazioni di trasporto, questa nuova fotocamera potrebbe aiutare a raggiungere livelli di autonomia e sicurezza senza precedenti, consentendo l'utilizzo di più dispositivi LiDAR a bassa potenza su un veicolo, fornendo velocemente, vista 3D ad alta risoluzione dell'ambiente circostante, " ha detto il primo autore, Kazuhiro Morimoto di Canon Inc. in Giappone. "In un futuro un po' più lontano, comunicazione quantistica, il rilevamento e l'elaborazione potrebbero trarre vantaggio dalle fotocamere per il conteggio dei fotoni con risoluzione multi-megapixel".

Un nuovo tipo di sensore

In meno di 20 anni, I sensori SPAD sono passati da una novità a versioni standard nella maggior parte delle fotocamere degli smartphone e in molti dispositivi domestici. Il successo di questa tecnologia deriva dal fatto che i sensori SPAD sono estremamente efficienti nel rilevare singoli fotoni e convertirli in segnali elettrici che vengono archiviati in una memoria digitale. Una fotocamera di grande formato può essere creata costruendo una serie di pixel che contengono ciascuno uno SPAD.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno attinto a 15 anni di ricerca SPAD presso l'AQUALab dell'EPFL per creare un sistema estremamente veloce, fotocamera ad alta risoluzione che sfrutta la tecnologia SPAD per immagini avanzate. La nuova fotocamera rileva i singoli fotoni e li converte in segnali elettrici a una velocità record di circa 150 milioni di volte al secondo. Ogni sensore SPAD può essere controllato con precisione per consentire l'ingresso della luce per soli 3,8 nanosecondi, circa quattro miliardesimi di secondo. Questa rapida "velocità dell'otturatore" può catturare movimenti estremamente rapidi o essere utilizzata per aumentare la gamma dinamica, la differenza tra i toni più scuri e quelli più chiari, di un'immagine acquisita.

I ricercatori hanno creato pixel SPAD estremamente piccoli e progettati per un basso consumo energetico utilizzando un meccanismo di feedback che spegne quasi immediatamente la valanga di elettroni innescata dal rilevamento dei fotoni. Ciò migliora le prestazioni complessive e l'affidabilità dei pixel. Hanno anche utilizzato tecniche di layout avanzate per imballare più strettamente i sensori SPAD, aumentando così la densità dell'area di rilevamento e abilitando una telecamera con un milione di pixel.

I ricercatori hanno quindi applicato sofisticate tecniche di progettazione di circuiti integrati per creare una distribuzione estremamente uniforme di segnali elettrici veloci sulla matrice di pixel su larga scala. Hanno mostrato che le velocità dell'otturatore variavano solo del 3% rispetto al milione di pixel, dimostrando che questo sensore potrebbe essere realizzato in modo fattibile utilizzando le tecniche di produzione di massa disponibili.

Imaging 3D ad alta velocità

La velocità della fotocamera consente di misurare il tempo in cui un fotone colpisce il sensore in modo molto preciso. Queste informazioni possono essere utilizzate per calcolare quanto tempo impiegano i singoli fotoni per percorrere la distanza da una sorgente alla fotocamera, noto come tempo di volo. La combinazione delle informazioni sul tempo di volo con la capacità di catturare un milione di pixel contemporaneamente consente la ricostruzione ad altissima velocità di immagini 3D.

I ricercatori hanno utilizzato la nuova fotocamera per determinare il tempo di volo dei fotoni emessi da una sorgente laser e riflessi da un bersaglio. Hanno anche catturato scene complesse che sono difficili da misurare per altre tecniche di imaging, come un oggetto visto attraverso una finestra parzialmente trasparente, e hanno usato la fotocamera per acquisire immagini convenzionali con gamme dinamiche senza precedenti. In futuro hanno in programma di migliorare ulteriormente le prestazioni e la risoluzione temporale della telecamera e di miniaturizzare ulteriormente i componenti per renderla più pratica per una varietà di applicazioni.