（文章來源：科技報告與資訊）
研究人員基于使用單光子雪崩二極管（SPADs）的新一代圖像傳感器技術(shù)，開發(fā)出了第一臺百萬像素光子計數(shù)相機。這種新型相機可以以前所未有的速度檢測單光子，這種能力可以推動需要快速獲取三維圖像的應(yīng)用，如增強現(xiàn)實和自動駕駛汽車的LiDAR系統(tǒng)等。

瑞士洛桑理工學院（EPFL）高級量子結(jié)構(gòu)實驗室（AQUALab）的Edoardo Charbon說："由于其高分辨率和測量深度的能力，這種新的相機可以讓虛擬現(xiàn)實變得更加逼真，讓你以更無縫的方式與增強現(xiàn)實信息進行交互。"Charbon提出了新相機的想法，他是AQUALab的創(chuàng)始人和負責人，圖像傳感器就是在這里設(shè)計的。

在光學協(xié)會（OSA）的高影響力研究期刊《Optica》上，研究人員描述了他們是如何創(chuàng)造出有史以來最小的SPAD像素之一，并將每個像素的功耗降低到1微瓦以下，同時保持速度和時序精度。這種新的相機可以以每秒24,000幀的速度獲取圖像。相比之下，每秒30幀是電視視頻錄制的標準速率。

"對于交通領(lǐng)域的應(yīng)用，這種新相機可以通過在一輛車上使用多個低功耗的LiDAR設(shè)備，提供快速、高分辨率的三維環(huán)境視圖，幫助實現(xiàn)前所未有的自主性和安全性。"第一作者、來自日本佳能公司的Kazuhiro Morimoto說。"未來，量子通信、傳感和計算都可以從具有百萬像素分辨率的光子計數(shù)相機中受益。"

在不到20年的時間里，SPAD傳感器已經(jīng)從一個新奇的產(chǎn)品發(fā)展到了大多數(shù)智能手機、相機和許多家用設(shè)備的標準配置。這項技術(shù)的成功來自于SPAD傳感器在檢測單個光子并將其轉(zhuǎn)化為電信號存儲在數(shù)字存儲器中的效率極高。通過建立一個像素陣列，每個像素都包含一個SPAD，就可以創(chuàng)建一個大尺寸相機。

在本研究中，研究人員借鑒了EPFL的AQUAL實驗室15年的SPAD研究經(jīng)驗，創(chuàng)造出了一個速度極快、分辨率極高的相機，利用SPAD技術(shù)進行高級成像。這款新相機可以檢測到單個光子，并以每秒約1.5億次的記錄速度將其轉(zhuǎn)換為電信號。每個SPAD傳感器可以被精細控制，讓光線進入的時間只有3.8納秒，約為40億分之一秒。這種快速的 "快門速度 "可以捕捉到極快的運動，也可以用來增加動態(tài)范圍（最暗和最亮的色調(diào)之間的差異）。

研究人員創(chuàng)造了極小的SPAD像素，并通過使用反饋機制設(shè)計出了極小的SPAD像素，通過使用反饋機制，幾乎可以立即熄滅光子檢測觸發(fā)的電子雪崩，從而實現(xiàn)低功耗。這提高了像素的整體性能和可靠性。他們還利用增強型布局技術(shù)將SPAD傳感器封裝得更緊密，從而提高了檢測面積密度，實現(xiàn)了百萬像素的攝像頭。

隨后，研究人員應(yīng)用復(fù)雜的集成電路設(shè)計技術(shù)，在大規(guī)模像素陣列上形成了極為均勻的快速電信號分布。他們表明，在百萬像素上，快門速度僅有3%的變化，這表明這種傳感器可以利用現(xiàn)有的量產(chǎn)技術(shù)。相機的速度使其能夠非常精確地測量光子到達傳感器的時間。這些信息可用于計算單個光子從源頭到相機所需的時間，稱為飛行時間。將飛行時間信息與同時捕獲100萬個像素的能力結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)快速重建三維圖像。

研究人員利用新型相機確定了激光源發(fā)射的光子和目標反射的光子的飛行時間。他們還捕捉到了其他成像技術(shù)難以測量的復(fù)雜場景，例如通過部分透明的窗口觀察物體，他們利用該相機獲得了具有前所未有的動態(tài)范圍的傳統(tǒng)圖片。今后，他們計劃進一步提高相機的性能和時序分辨率，并進一步將部件小型化，使其更實用于各種應(yīng)用。
（責任編輯：fqj）