Os pesquisadores desenvolveram a primeira câmera com contagem de fótons em megapixels com base na tecnologia de sensor de imagem de nova geração que usa diodos de avalanche de fóton único (SPADs). A nova câmera pode detectar fótons de luz em velocidades sem precedentes, uma capacidade que pode promover aplicações que requerem aquisição rápida de imagens 3-D, como realidade aumentada e sistemas LiDAR para veículos autônomos.

"Graças à sua alta resolução e capacidade de medir a profundidade, esta nova câmera pode tornar a realidade virtual mais realista e permitir que você interaja com informações de realidade aumentada de uma maneira mais integrada, "disse Edoardo Charbon do Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab) da École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) na Suíça. Charbon desenvolveu a ideia para a nova câmera e é o fundador e chefe da AQUALab, onde o sensor de imagem foi projetado.

No Optica , O jornal da The Optical Society (OSA) para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores descrevem como criaram um dos menores pixels SPAD já concebidos e reduziram o consumo de energia de cada pixel para menos de 1 microwatt, mantendo a velocidade e a precisão do tempo. A nova câmera pode adquirir imagens em até 24, 000 quadros por segundo. Para comparação, 30 quadros por segundo é a taxa padrão usada para gravar vídeo para televisão.

"Para aplicações de transporte, esta nova câmera pode ajudar a alcançar níveis sem precedentes de autonomia e segurança, permitindo que vários dispositivos LiDAR de baixa potência sejam usados ​​em um veículo, fornecendo rápido, visão 3D de alta resolução dos arredores, "disse o primeiro autor, Kazuhiro Morimoto da Canon Inc. no Japão. "Num futuro um pouco mais distante, comunicação quântica, detecção e computação poderiam se beneficiar de câmeras de contagem de fótons com resolução de vários megapixels. "

Um novo tipo de sensor

Em menos de 20 anos, Os sensores SPAD passaram de uma novidade para versões padrão na maioria das câmeras de smartphones e em muitos dispositivos domésticos. O sucesso dessa tecnologia vem do fato de que os sensores SPAD são extremamente eficientes na detecção de fótons individuais e na conversão deles em sinais elétricos que são armazenados em uma memória digital. Uma câmera de grande formato pode ser criada construindo um array de pixels, cada um contendo um SPAD.

No novo trabalho, os pesquisadores se basearam em 15 anos de pesquisa SPAD no AQUALab na EPFL para criar um sistema extremamente rápido, câmera de alta resolução que utiliza a tecnologia SPAD para imagens avançadas. A nova câmera detecta fótons individuais e os converte em sinais elétricos a uma taxa recorde de cerca de 150 milhões de vezes por segundo. Cada sensor SPAD pode ser controlado com precisão para permitir a entrada de luz por apenas 3,8 nanossegundos, cerca de quatro bilionésimos de segundo. Essa rápida 'velocidade do obturador' pode capturar movimentos extremamente rápidos ou ser usada para aumentar a faixa dinâmica - a diferença entre os tons mais escuros e mais claros - de uma imagem adquirida.

Os pesquisadores criaram pixels SPAD extremamente pequenos e projetados para baixo consumo de energia usando um mecanismo de feedback que quase imediatamente extingue a avalanche de elétrons desencadeada pela detecção de fótons. Isso melhora o desempenho geral e a confiabilidade dos pixels. Eles também usaram técnicas aprimoradas de layout para compactar os sensores SPAD, aumentando assim a densidade da área de detecção e habilitando uma câmera com um milhão de pixels.

Os pesquisadores então aplicaram técnicas sofisticadas de projeto de circuitos integrados para criar uma distribuição extremamente uniforme de sinais elétricos rápidos sobre a matriz de pixels em grande escala. Eles mostraram que as velocidades do obturador variaram apenas 3 por cento em relação ao milhão de pixels, demonstrando que este sensor poderia ser feito usando as técnicas de produção em massa disponíveis.

Imagem 3D de alta velocidade

A velocidade da câmera torna possível medir o tempo que um fóton atinge o sensor com muita precisão. Essas informações podem ser usadas para calcular quanto tempo leva para os fótons individuais percorrerem a distância de uma fonte até a câmera, conhecido como tempo de voo. Combinar informações de tempo de voo com a capacidade de capturar um milhão de pixels simultaneamente permite a reconstrução em velocidade extremamente alta de imagens 3-D.

Os pesquisadores usaram a nova câmera para determinar o tempo de vôo dos fótons emitidos por uma fonte de laser e refletidos por um alvo. Eles também capturaram cenas complexas que são difíceis para outras técnicas de imagem medir, como um objeto visto através de uma janela parcialmente transparente, e eles usaram a câmera para adquirir imagens convencionais com faixas dinâmicas sem precedentes. No futuro, eles planejam melhorar ainda mais o desempenho e a resolução de tempo da câmera e miniaturizar ainda mais os componentes para torná-los mais práticos para uma variedade de aplicações.