新型相機可以以前所未有的速度檢測光的單光子，這種能力可以促進需要快速采集3D圖像的應用，例如增強現實和自動駕駛汽車的激光雷達系統。

4月17日消息，據外媒報道，國外研究人員開發出了第一款基于新一代圖像傳感器技術的百萬像素光子計數相機，該技術使用了單光子雪崩二極管（SPAD）圖像傳感器。該新型相機可以以前所未有的速度檢測光的單光子，這種能力可以促進需要快速采集3D圖像的應用，例如增強現實和自動駕駛汽車的激光雷達系統。

研究人員已經開發出了第一款基于單光子雪崩二極管（SPAD）圖像傳感器的百萬像素光子計數相機。新相機可以以前所未有的速度在微弱的光線下拍攝圖像。

據悉，瑞士洛桑理工學院（EPFL）高級量子建筑實驗室（AQUALab）的Edoardo Charbon提出了新相機的構想，他也是設計圖像傳感器的AQUALab的創始人和負責人。他說：“由于其高分辨率和測量深度的能力，這種新型相機可以使虛擬現實更加逼真，并讓人們以更加無縫的方式與增強現實信息進行交互。”

在光學學會（OSA）高影響力研究雜志Optica上，研究人員描述了他們是如何創造出史上最小的SPAD像素之一，并且如何在保持速度和定時精度的同時將每個像素的功耗降低到1毫瓦以下。新相機可以每秒捕獲24,000幀圖像，而每秒30幀是用于錄制電視視頻的標準速率。

SPAD（單光子雪崩二極管）圖像傳感器

在不到20年的時間里，SPAD圖像傳感器已經從一個新奇的產品發展到大多數智能手機攝像頭和許多家用設備的標準使用配置。這項技術的成功來自于SPAD圖像傳感器在探測單個光子并將其轉換為存儲在數字存儲器中的電信號方面非常高效，通過構建一個像素陣列（每個像素都包含一個SPAD），可以創建大幅面相機。

在這項新的研究中，研究人員利用15年時間在EPFL的AQUALab進行SPAD研究，創造了一種利用SPAD技術進行高級成像的高速高分辨率相機。這臺新相機探測到單個光子，并以每秒約1.5億次的記錄速率將其轉換成電信號，每一個SPAD傳感器都可以被精細地控制，允許光進入的時間只有3.8納秒，大約是40億分之一秒。這種快速的“快門速度”可以捕捉非常快的運動，或者用于增加動態范圍，即所采集圖像的最暗和最亮色調之間的差異。

研究人員還創建了一個非常小的SPAD像素，并通過使用一種反饋機制來降低功耗，該反饋機制幾乎立即消除了由光子檢測觸發的電子雪崩，這提高了像素的整體性能和可靠性。他們還使用增強的布局技術將SPAD圖像傳感器包裝得更緊密，從而提高了檢測區域的密度，并使一百萬像素的攝像機成為可能。

同時，研究人員應用了復雜的集成電路設計技術，以在大型像素陣列上創建極其均勻的快速電信號分布。他們表明，快門速度在百萬像素上僅變化了3％，這表明可以使用現有的批量生產技術來制造這種傳感器。

高速3D圖像重建

相機的速度使我們能夠非常精確地測量光子擊中傳感器的時間，此信息可用于計算單個光子從源到相機的距離（稱為飛行時間）需要多長時間。將飛行時間信息與同時捕獲100萬像素的能力結合起來，可以實現極其高速的3D圖像重建。

研究人員使用這臺新相機來確定從激光源發射并被目標反射的光子的飛行時間。他們還捕獲了其他成像技術難以測量的復雜場景，例如通過部分透明窗口觀看的對象，并使用相機獲取具有前所未有動態范圍的傳統圖片。未來，他們計劃進一步提高相機的性能和定時分辨率，并進一步縮小組件，使其更適用于各種應用。

日本佳能公司（Canon Inc.）的森本和弘（Kazuhiro Morimoto）說：“對于交通應用來說，這種新型相機可以通過在車輛上使用多個低功率激光雷達設備，提供快速、高分辨率的三維環境視圖，幫助實現前所未有的自主性和安全性。在更遙遠的將來，量子通信、傳感和計算都可以受益于具有數百萬像素分辨率的光子計數相機。”