메가픽셀 광자 카운팅 카메라 기술

초당 24,000프레임으로 단일 광자의 해상도로 이미지를 캡처하도록 설계된 카메라를 상상해 보십시오. 3.8ns 동안만 열려 있을 수 있고 몇 피코초의 지속 시간으로 빠른 레이저 펄스와 동기화될 수 있는 전자 셔터 덕분에 문자 그대로 공간을 통해 전파되는 빛을 볼 수 있습니다. 이 기능을 통해 양자 비전, 고스트 이미징, 서브샷 노이즈 이미징, 양자 LiDAR 및 양자 증류와 같은 새로운 애플리케이션이 열립니다.

이러한 응용 분야에 공통적으로 필요한 것은 단일 광자 감지 및 저잡음 및 고감도의 높은 타이밍 분해능입니다. 이 새로운 카메라는 이 모든 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 백만 픽셀에서 동시에 수행하므로 캡처 및 재구성 시 상당한 속도 향상이 가능합니다. 이 픽셀의 핵심에는 광자 감지를 수행하여 디지털 펄스를 생성하는 SPAD(단일 광자 애벌랜치 다이오드)가 있습니다. 이 펄스를 계산하거나 타임스탬프를 찍을 수 있으므로 카메라의 광자 계산 및 시간 분해 특성을 제공합니다.

동료 심사를 거친 Optica 저널에 발표된 논문에서 우리는 SPAD 픽셀을 기반으로 한 최초의 100만 픽셀 카메라를 발표했습니다. 픽셀의 피치는 9.4μm이며 7T(픽셀당 7개의 트랜지스터) 또는 5.75T 아키텍처입니다. 카메라 칩의 현미경 사진은 그림 1(b)에 나와 있습니다. 카메라 블록 다이어그램은 그림 1(a)에 나와 있습니다. 그것은 약 100ps의 정밀도와 36ps의 단계로 조정 가능한 위치로 셔터를 제어하기 위한 이중 바이너리 트리로 구성됩니다. 이를 통해 빛 펄스가 레이저를 떠나 물체에 반사될 때 빛 펄스의 비행 시간을 측정하여 3D 이미지를 재구성할 수 있습니다. 또한 비행 중 빛을 포착하여 실험실에서 흥미로운 상대론적 효과를 노출할 수 있습니다.

이 칩은 픽셀 수준에서 최대 14비트에서 표준 차트(그림 2(a))와 함께 강도 이미지 센서로 테스트되었습니다. 그림 3(a) 및 (b)는 40MHz에서 펄스되고 절반 해상도 이미지 센서에서 캡처된 637nm 레이저로 장면을 조명하여 얻은 2D 및 컬러 코딩된 3D 사진을 보여줍니다. 길이가 3.8ns인 게이트 창은 게이트 위치의 함수로 전체 광자 강도 프로파일을 획득하기 위해 36ps씩 0.6ns에서 13.2ns로 이동합니다.

이 측정에서 거리 LSB는 5.4mm에 해당합니다. 깊이 정보는 반사된 레이저 펄스의 도달 시간에 해당하는 각 픽셀에 대한 평활화된 강도 프로파일의 상승 에지 위치를 감지하여 재구성됩니다. 어레이에 대한 게이트 타이밍 스큐는 측정된 도착 시간 분포에서 독립적으로 측정된 타이밍 스큐 분포를 빼서 보상됩니다. 그림 3(b)에서 빨간색은 SPAD 카메라에 더 가까운 거리를 나타내는 반면 파란색은 더 높은 거리에 해당합니다. 이 측정의 최대 수심 범위는 2m로 설정되었지만 레이저 반복 주파수를 낮추고 게이트 스텝을 높이면 수십 미터까지 확장할 수 있습니다.

정밀한 게이트 스캐닝 피치와 긴 노출은 높은 깊이 정밀도를 달성하는 데 사용되며 이 측정을 위한 결과 데이터 수집 시간은 수십 초였습니다. 이것은 간접 time-of-flight와 같은 다른 거리 측정 방법보다 상당히 길지만 게이트 스캐닝 피치를 높이고 스캐닝 범위를 줄이며 레이저 출력을 높여 노출 시간을 줄이면 쉽게 줄일 수 있습니다. 또한 감도를 높이기 위해 온칩 마이크로렌즈를 구현해 더욱 개선될 전망이다.

그림 3(c)는 실제 물체 거리의 함수로 측정된 거리를 보여줍니다. 그림 3(c), (d), (e)에서 백지로 덮인 평평한 물체(반사율 약 60%)를 사용하여 측정된 거리, 정확도 및 정밀도를 평가합니다. 그림 3(c)에서 측정된 거리는 어레이 중앙에서 20×20 픽셀에 걸쳐 단일 픽셀 거리의 평균을 취하여 추출된다. 0.2~1.6m의 측정 범위 내에서 실제 거리와 매우 잘 일치합니다. 그림 3(d)에서 거리 정확도는 평균 측정 거리에서 실제 거리를 뺀 값으로 계산됩니다. 측정된 거리 범위의 경우 정확도는 항상 1cm 이상입니다. 그림 3(e)에서 거리 정밀도는 어레이 중앙의 20×20 픽셀에 대한 단일 픽셀 거리의 표준 편차로 활용됩니다. 정밀도는 최대 1.6m까지의 모든 측정 지점에서 7.8mm(rms)보다 우수합니다.

다중 물체 감지는 3D 이미지를 복구하는 데 많은 계산 비용이 필요한 시간 조명 또는 노출 패턴을 코딩하여 실험적으로 입증되었습니다. time-gated time-of-flight 센서는 소형 픽셀 회로와 덜 복잡한 계산을 통해 확장 가능한 대안 솔루션을 제공합니다.

그림 4(a)는 실험 설정을 보여줍니다. 40MHz에서 펄스된 510nm 레이저 빔은 확산기에 의해 확산되고 구형 타겟을 조명하는 데 사용됩니다. SPAD 카메라는 레이저 트리거 신호와 동기화되며 카메라와 물체 사이에 투명한 플라스틱 판이 삽입됩니다. 카메라에서 플라스틱 판과 물체까지의 거리는 각각 0.45m와 0.75m입니다. 그림 4(b)는 플라스틱 판을 삽입한 경우와 삽입하지 않은 상태의 실내 조명에서 2D 강도 이미지를 보여줍니다. 판이 거의 투명하기 때문에 두 경우 모두 2D 이미지에서 큰 차이가 관찰되지 않습니다.

3개의 대표 지점(A, B 및 C)에 대해 측정된 시간 게이팅 프로파일이 그림 4(c)에 표시됩니다. 플레이트가 없으면 지점 A와 B에 대한 시간 게이팅 프로파일은 게이트 위치 100(36ps에 해당하는 위치의 한 단계) 주변에서 상승 에지가 있는 단일 평활 직사각형 함수 파형만 보여줍니다. 점 C의 경우 광자 수는 측정된 게이트 위치 범위에서 0에 가깝게 유지되어 이 픽셀에서 감지된 반사 물체가 없음을 나타냅니다.

대조적으로 플라스틱 플레이트의 경우 A 지점의 프로파일은 게이트 위치 40과 100 주변의 2단계 상승 에지를 보여줍니다. 측정된 광자 수 프로파일이 단일 평활 직사각형 함수와 반사된 광자 강도 분포의 컨볼루션이라는 점을 감안할 때, 2단계 프로파일은 플라스틱 판과 구형 물체의 이중 반사에 대한 확실한 증거입니다. 게이트 위치 40 주변의 첫 번째 상승 에지의 기울기가 점 A의 기울기보다 완만한 점 B에서 유사한 거동이 관찰됩니다. 점 C의 프로파일은 플라스틱으로부터의 반사에 해당하는 게이트 위치 40 주변의 단일 상승 에지를 보여줍니다. 그릇. 서로 다른 지점 사이에서 게이트 위치(40) 주변의 상승 에지에 대한 기울기의 변화는 플라스틱 판 표면의 불균일한 반사에 의해 유도됩니다.

결과는 공간적으로 중첩된 다중 물체 감지를 수행하는 시간 개폐식 SPAD 카메라의 기능을 보여줍니다. 제안된 기법은 두 개 이상의 반사 피크 검출에 적용할 수 있습니다. 후처리에서 가상 게이트 창을 더 정밀하게 스캔하면 여러 피크를 체계적으로 감지할 수 있습니다. 두 개의 인접한 반사 재료 사이의 최소 분해 거리는 이 SPAD 센서에서 5-10cm에 해당하는 게이트 창 프로파일의 유한한 상승 또는 하강 시간에 의해 근본적으로 제한됩니다.

결론적으로 100만 화소 타임 게이트 SPAD 이미지 센서가 처음으로 보고되었다. SPAD 연구에서 메가픽셀 SPAD 센서를 달성하는 것은 10년 넘게 가장 중요한 이정표 중 하나로 간주되어 왔습니다. 이 센서는 HDR(High Dynamic Range) 2D 이미징 및 높은 시공간 해상도 3D 이미징에 적용됩니다. 우리가 아는 한, 단일 광자 시간 게이팅 방식을 사용한 공간적으로 중첩된 다중 물체 감지가 처음으로 실험적으로 입증되었습니다.

그림 5는 SPAD 픽셀 피치와 어레이 크기의 최신 비교를 보여줍니다. 센서의 어레이 크기는 최첨단 센서의 어레이 크기보다 거의 4배 더 크며 픽셀 피치는 가장 작은 것 중 하나입니다. 고해상도 2D 및 3D 이미징 기능으로 인해 제안된 센서는 보안, 자동차, 로봇, 생물 의학 및 양자 이미징 및 초고속 이미징을 포함한 과학 애플리케이션과 같은 다양한 산업 애플리케이션에서 유용할 것입니다.

과학 저널 Optica에서 기술에 대한 전체 보고서 읽기 .

이 기사는 EPFL Switzerland(Lausanne, Switzerland) 교수 Edoardo Charbon이 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .