이미징 혁명: 초고속·초정밀 비전을 위한 메가픽셀 포토카운팅 카메라

단일 광자 해상도와 24,000fps의 혁신적 성능

단일 광자 해상도로 24,000 프레임/초 속도로 이미지를 포착하는 카메라를 상상해 보십시오. 단 3.8ns만 열려 있는 전자 셔터와 단 몇 피코초 지속되는 빠른 레이저 펄스와 동기화할 수 있는 셔터 덕분에 빛이 공간을 전파하는 과정을 말 그대로 볼 수 있습니다. 이 기능을 통해 양자 비전, 고스트 이미징, 서브샷 노이즈 이미징, 양자 라이다, 양자 증류 등 새로운 애플리케이션이 열립니다.

핵심 기술: SPAD 픽셀과 백만 화소 동시 구현

이러한 애플리케이션의 공통점은 단일 광자 검출과 낮은 노이즈 및 높은 감도로 높은 타이밍 해상도가 필요하다는 것입니다. 이 새로운 카메라는 이 모든 것을 수행하면서 추가로 백만 화소에서 동시에 수행하므로 캡처 속도와 재구성 속도를 크게 높일 수 있습니다. 각 픽셀의 핵심에는 단일 광자 눈사태 다이오드(SPAD)가 있어 광자 검출을 수행하며 디지털 펄스를 생성합니다. 이 펄스는 계수되거나 타임스탬프가 찍혀 카메라의 포토카운팅 및 시간 분해 특성을 제공합니다.

Optica 저널에 발표된 세계 최초 1메가픽셀 SPAD 카메라

동료 심사 저널 Optica에 발표된 논문에서 우리는 SPAD 픽셀 기반 최초의 1메가픽셀 카메라를 발표했습니다. 픽셀 피치는 9.4μm이며, 7T(픽셀당 7트랜지스터) 또는 5.75T 아키텍처를 가집니다. 카메라 칩의 현미경 사진은 그림 1(b)에 나와 있습니다. 카메라 블록 다이어그램은 그림 1(a)에 표시되어 있으며, 약 100ps 정밀도로 셔터를 제어하고 36ps 단계로 위치 조정이 가능한 이진 트리 구조를 포함합니다. 이를 통해 레이저에서 발사된 빛 펄스가 물체에 반사되어 돌아오는 비행 시간(Time-of-Flight)을 측정하여 3D 이미지를 재구성할 수 있습니다. 또한 비행 중인 빛을 포착하여 실험실에서 흥미로운 상대론적 효과를 드러낼 수 있습니다.

칩 테스트 및 3D 이미징 성능 검증

칩은 표준 차트(그림 2(a))를 사용하여 픽셀 레벨에서 최대 14비트의 강도 이미지 센서로 테스트되었습니다. 그림 3(a)와 (b)는 637nm 레이저를 40MHz로 펄스하여 장면을 조명하고 반해상도 이미지 센서로 포착한 2D 및 컬러 코딩된 3D 이미지를 보여줍니다. 길이 3.8ns의 게이트 윈도우가 0.6ns에서 13.2ns까지 36ps 단계로 이동하여 게이트 위치에 따른 전체 광자 강도 프로파일을 획득합니다.

이 측정에서 거리 LSB는 5.4mm에 해당합니다. 깊이 정보는 각 픽셀에 대해 평활화된 강도 프로파일의 상승 에지 위치를 검출하여 재구성되며, 이는 반사된 레이저 펄스의 도착 시간에 해당합니다. 게이트 타이밍 스큐는 독립적으로 측정된 타이밍 스큐 분포를 측정된 도착 시간 분포에서 빼서 보상합니다. 그림 3(b)에서 빨간색은 SPAD 카메라에 더 가까운 근접도를, 파란색은 더 먼 거리를 나타냅니다. 이 측정의 최대 깊이 범위는 2m로 설정되었지만, 레이저 반복 주파수를 낮추고 게이트 스텝을 늘리면 수십 미터까지 확장할 수 있습니다.

고정밀 깊이 측정을 위한 미세 게이트 스캐닝

미세 게이트 스캐닝 피치와 긴 노출은 높은 깊이 정밀도를 달성하기 위해 사용되며, 이 측정의 데이터 수집 시간은 수십 초였습니다. 이는 간접 비행 시간 방식 등 다른 거리 측정 방법보다 상당히 길지만, 게이트 스캐닝 피치를 늘리고 스캐닝 범위를 줄이며 레이저 파워를 높여 노출 시간을 단축함으로써 쉽게 줄일 수 있습니다. 또한 온칩 마이크로렌즈 구현으로 감도를 높이면 추가 개선이 기대됩니다.

거리 측정 정확도 및 정밀도 분석

그림 3(c)는 실제 물체 거리에 따른 측정된 거리를 보여줍니다. 그림 3(c), (d), (e)에서는 반사율 약 60%의 흰 종이로 덮인 평평한 물체를 사용하여 측정된 거리, 정확도, 정밀도를 평가했습니다. 그림 3(c)에서 측정된 거리는 배열 중심의 20×20 픽셀에 대한 단일 픽셀 거리의 평균을 취해 추출했습니다. 0.2~1.6m 측정 범위 내에서 실제 거리와 매우 좋은 일치를 보입니다. 그림 3(d)에서 거리 정확도는 평균 측정된 거리에서 실제 거리를 뺀 값으로 계산되며, 측정 거리 범위에서 정확도는 항상 1cm 이내입니다. 그림 3(e)에서 거리 정밀도는 배열 중심의 20×20 픽셀에 대한 단일 픽셀 거리의 표준 편차로 활용되며, 1.6m까지 모든 측정 지점에서 7.8mm(rms) 미만의 정밀도를 보입니다.

다중 물체 검출: 시간 게이팅 방식의 우수성

다중 물체 검출은 시간적 조명 패턴 또는 노출 패턴을 코딩하여 실험적으로 입증되었으나, 3D 이미지 복원을 위해 큰 계산 비용이 필요합니다. 시간 게이팅 비행 시간 센서는 콤팩트한 픽셀 회로와 덜 복잡한 계산을 통해 대안적이고 확장 가능한 솔루션을 제공합니다.

투명 물체를 통한 이중 반사 검출 실험

그림 4(a)는 실험 설정을 보여줍니다: 510nm 레이저 빔이 40MHz로 펄스되어 디퓨저로 확산되고 구형 타겟을 조명하는 데 사용됩니다. SPAD 카메라는 레이저 트리거 신호와 동기화되며, 카메라와 물체 사이에 투명한 플라스틱 판이 삽입됩니다. 카메라에서 플라스틱 판까지의 거리는 0.45m, 물체까지는 0.75m입니다. 그림 4(b)는 실내 조명 하에서 플라스틱 판 삽입 유무에 따른 2D 강도 이미지를 보여줍니다. 판이 거의 투명하므로 두 경우 모두 2D 이미지에서 유의미한 차이는 관찰되지 않습니다.

세 대표 지점(A, B, C)에 대한 측정된 시간 게이팅 프로파일이 그림 4(c)에 그려져 있습니다. 판 없이 지점 A와 B의 프로파일은 게이트 위치 100 부근(한 단계가 36ps에 해당)에 상승 에지가 있는 단일 평활 직사각형 함수 파형만 보입니다. 지점 C에서는 측정된 게이트 위치 범위에서 광자 계수가 0에 가까워 이 픽셀에서 반사 물체가 감지되지 않음을 나타냅니다.

반면 플라스틱 판이 있는 경우 지점 A의 프로파일은 게이트 위치 40과 100 부근에 두 단계 상승 에지를 보입니다. 측정된 광자 계수 프로파일이 단일 평활 직사각형 함수와 반사 광자 강도 분포의 컨볼루션임을 고려할 때, 두 단계 프로파일은 플라스틱 판과 구형 물체로부터의 이중 반사에 대한 설득력 있는 증거입니다. 지점 B에서도 유사한 동작이 관찰되며, 게이트 위치 40 부근 첫 번째 상승 에지의 기울기가 지점 A보다 완만합니다. 지점 C의 프로파일은 게이트 위치 40 부근에만 단일 상승 에지를 보여 플라스틱 판에서의 반사에 해당합니다. 게이트 위치 40 부근 상승 에지 기울기의 지점 간 변화는 플라스틱 판 표면의 불균일한 반사에 의해 유도됩니다.

결론 및 향후 전망

결과적으로 시간 게이팅 SPAD 카메라가 공간적으로 중첩된 다중 물체 검출을 수행할 수 있음을 입증했습니다. 제안된 방식은 두 개 이상의 반사 피크 검출에도 적용 가능합니다. 사후 처리에서 가상 게이트 윈도우의 더 미세한 스캐닝은 다중 피크의 체계적 검출을 가능하게 합니다. 두 이웃 반사 물질 사이의 최소 분해 거리는 게이트 윈도우 프로파일의 유한한 상승 또는 하강 시간에 의해 근본적으로 제한되며, 이 SPAD 센서에서는 5~10cm에 해당합니다.

결론적으로, 최초의 1메가픽셀 시간 게이팅 SPAD 이미지 센서가 보고되었습니다. SPAD 연구에서 메가픽셀 SPAD 센서 달성은 10년 이상 가장 중요한 이정표 중 하나로 여겨져 왔습니다. 이 센서는 고동적 범위 2D 이미징과 고시공간 해상도 3D 이미징에 적용되었습니다. 저희 지식으로는 단일 광자 시간 게이팅 방식을 이용한 공간적으로 중첩된 다중 물체 검출이 처음으로 실험적으로 입증되었습니다.

그림 5는 SPAD 픽셀 피치와 어레이 크기의 최신 기술 비교를 보여줍니다. 이 센서의 어레이 크기는 최신 기술 센서보다 거의 4배 더 크며, 픽셀 피치는 가장 작은 축에 속합니다. 높은 해상도의 2D 및 3D 이미징 기능 덕분에 제안된 센서는 보안, 자동차, 로봇, 생물의학, 과학 애플리케이션(양자 이미징 및 초고속 이미징 포함) 등 다양한 산업 분야에서 유용할 것입니다.