Revolutionaire imaging: Megapixel foton-tellende camera's voor ultra-snelle, ultra-precieze visie

Een camera die enkelvoudige fotonen detecteert met 24.000 frames per seconde

Stel je een camera voor die ontworpen is om beelden vast te leggen met een resolutie van een enkele foton met 24.000 frames per seconde. Dankzij een elektronische sluiter die slechts 3,8 ns open kan blijven en die gesynchroniseerd kan worden met snelle laserpulsen van slechts enkele picoseconden duur, kan men letterlijk zien hoe licht zich door de ruimte voortplant. Met deze capaciteit openen zich nieuwe toepassingen zoals kwantumvisie, ghost imaging, sub-shot-noise imaging, kwantum LiDAR en kwantumdistillatie, om er maar een paar te noemen.

Kerntechnologie: SPAD-pixels

Gemeenschappelijk aan deze toepassingen is de behoefte aan enkelvoudige-foton-detectie en hoge timingresolutie met lage ruis en hoge gevoeligheid. Deze nieuwe camera is capabel van al dat, maar doet dit bovendien op een miljoen pixels gelijktijdig, wat een aanzienlijke versnelling in opname en mogelijk reconstructie mogelijk maakt. In de kern van deze pixels zit een single-photon avalanche diode (SPAD) die fotondetectie uitvoert, een digitale puls genereert. Deze puls kan geteld of getimestampd worden, wat het fotontellende en tijdsge-resolveerde karakter van de camera geeft.

Eerste 1-megapixel SPAD-camera

In een artikel gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Optica, presenteerden we de eerste 1-megapixel camera gebaseerd op SPAD-pixels. De pixels hebben een pitch van 9,4 μm, met een 7T (7 transistoren per pixel) of 5,75T architectuur. De micrografie van de camerachip is getoond in Figuur 1(b). Het blokdiagram van de camera wordt getoond in Figuur 1(a); het omvat een dubbele binaire boom voor het besturen van de sluiter met een precisie van ongeveer 100 ps en een positie instelbaar in stappen van 36 ps. Hiermee kan men 3D-beelden reconstrueren door de time-of-flight van een lichtpuls te meten terwijl deze de laser verlaat en door een object wordt gereflecteerd. Het stelt ook in staat om licht-in-vlucht vast te leggen, wat interessante relativistische effecten in het laboratorium blootlegt.

Prestaties en metingen

De chip werd getest als een intensiteitsbeeldsensor met een standaardschema (Figuur 2(a)) tot 14-bits op pixelniveau. Figuren 3(a) en (b) tonen een 2D- en kleurgecodeerde 3D-afbeelding verkregen door een scène te verlichten met een 637 nm-laser gepulst op 40 MHz en vastgelegd op de halve-resolutie beeldsensor. Het gate-venster met een lengte van 3,8 ns wordt verschoven van 0,6 ns tot 13,2 ns in stappen van 36 ps om volledige fotonintensiteitsprofielen te verkrijgen als functie van de gate-positie.

De afstand LSB in deze meting komt overeen met 5,4 mm. De diepte-informatie wordt gereconstrueerd door de positie van de stijgende flank van het gegladde intensiteitsprofiel voor elke pixel te detecteren, wat overeenkomt met de aankomsttijd van de gereflecteerde laserpuls. De gate-timing scheefheid over de array wordt gecompenseerd door onafhankelijk gemeten timing-scheefheidsverdeling af te trekken van de gemeten aankomsttijdsverdeling. In Figuur 3(b) duidt rode kleur op hogere nabijheid tot de SPAD-camera, terwijl blauwe kleur overeenkomt met grotere afstand. Het maximale dieptebereik voor deze meting was ingesteld op 2 m, maar kan uitgebreid worden tot tientallen meters door de laserherhalingsfrequentie te verlagen en de gate-stap te vergroten.

De fijne gate-scanning pitch en lange belichtingstijd worden gebruikt om hoge diepteprecisie te bereiken, en de resulterende data-acquisitietijd voor deze meting was enkele tientallen seconden. Dit is aanzienlijk langer dan bij andere afstanningsmethoden zoals indirecte time-of-flight, maar kan gemakkelijk verkleind worden door de gate-scanning pitch te vergroten, het scanningsbereik te verkleinen en de laserkracht te verhogen om de belichtingstijd te verminderen. Bovendien wordt verdere verbetering verwacht door het implementeren van een on-chip microlens om de gevoeligheid te vergroten.

Multi-object detectie

Multi-object detectie is experimenteel gedemonstreerd door ofwel temporale verlichting of belichtingspatronen te coderen, wat een grote computationele kost met zich meebrengt om 3D-beelden te herstellen. Een time-gated time-of-flight sensor biedt een alternatieve, schaalbare oplossing door middel van compacte pixelcircuitry en minder gecompliceerde berekening.

Figuur 4(a) toont de experimentele opstelling: een 510-nm laserbundel gepulst op 40 MHz wordt verspreid door een diffuser en gebruikt om een sferisch doel te verlichen. De SPAD-camera is gesynchroniseerd met het laser triggersignaal, en een transparante kunststofplaat wordt tussen de camera en het object geplaatst. De afstanden van de camera tot de kunststofplaat en het object zijn respectievelijk 0,45 m en 0,75 m. Figuur 4(b) toont 2D-intensiteitsbeelden onder binnenverlichting met en zonder de kunststofplaat. Omdat de plaat bijna transparant is, wordt geen significant verschil waargenomen in de 2D-beelden voor die twee gevallen.

De gemeten time-gating profielen voor drie representatieve punten (A, B en C) worden uitgezet in Figuur 4(c). Zonder de plaat tonen de time-gating profielen voor punt A en B slechts een enkele gegladde rechthoekige functie-golfvorm met de stijgende flank rond gate-positie 100 (één stap van de positie corresponderend met 36 ps). Voor punt C blijft het fotonaantal dicht bij nul over het gemeten gate-positiebereik, wat aangeeft dat geen reflecterend object wordt gedetecteerd op deze pixel.

Met de kunststofplaat, daarentegen, toont het profiel bij punt A twee stijgende flanken rond gate-posities 40 en 100. Gezien het gemeten profiel van fotonenaantallen een convolutie is van een enkele gegladde rechthoekige functie en de gereflecteerde fotonintensiteitsverdeling, is het twee-traps profiel overtuigend bewijs van dubbele reflectie van de kunststofplaat en het sferische object. Vergelijkbaar gedrag wordt waargenomen bij punt B, waar de helling van de eerste stijgende flank rond gate-positie 40 zachter is dan die van punt A. Het profiel bij punt C toont slechts een enkele stijgende flank rond gate-positie 40, corresponderend met de reflectie van de kunststofplaat. De variatie in helling voor de stijgende flank rond gate-positie 40 tussen verschillende punten wordt geïnduceerd door de non-uniforme reflectie van het oppervlak van de kunststofplaat.

De resultaten demonstreren de capaciteit van een time-gated SPAD-camera om ruimtelijk overlappende multi-object detectie uit te voeren. Let op dat het voorgestelde schema toegepast kan worden op de detectie van meer dan twee reflectiepieken. Fijnere scanning van het virtuele gate-venster in post-processing stelt systematische detectie van meerdere pieken in staat. De minimale ontvankelijke afstand tussen twee burengelegen reflecterende materialen is fundamenteel beperkt door de eindige stijgende of dalende tijd van het gate-vensterprofiel, wat overeenkomt met 5-10 cm in deze SPAD-sensor.

Conclusie en toekomstperspectieven

Ten slotte is voor het eerst een 1-megapixel time-gated SPAD-beeldsensor gerapporteerd. In SPAD-onderzoek werd het bereiken van een megapixel SPAD-sensor al meer dan een decennium beschouwd als een van de belangrijkste mijlpalenn. De sensor wordt toegepast voor hoge-dynamische-bereik 2D-imaging en hoge spatio-temporele resolutie 3D-imaging. Onze kennis naar is de ruimtelijk overlappende multi-object detectie met enkelvoudig-foton time-gating schema voor het eerst experimenteel gedemonstreerd.

Figuur 5 toont een state-of-the-art vergelijking van SPAD-pixel pitch en array-grootte. De array-grootte van de sensor is de grootste, bijna 4 keer hoger dan die van de state-of-the-art sensor, terwijl de pixel pitch een van de kleinste is. Vanwege de hoge resolutie 2D- en 3D-imaging mogelijkheden, zal de voorgestelde sensor nuttig zijn in een brede verscheidenheid aan industriële toepassingen zoals beveiliging, automotive, robotica, biomedisch en wetenschappelijke toepassingen, inclusief kwantumimaging en ultra-hoge-snelheid imaging.