研究人員開發(fā)出了一種新型深度傳感3D相機(jī)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員開發(fā)出了一種新型深度傳感3D相機(jī)，它能夠以百萬像素的分辨率和每秒24000幀的速度探測(cè)單個(gè)光子。這種創(chuàng)紀(jì)錄的性能有望為自動(dòng)駕駛汽車的下一代視覺系統(tǒng)提供支持。

這款被稱為MegaX的3D相機(jī)由瑞士EPFL的研究人員聯(lián)合日本佳能（Canon）共同設(shè)計(jì)，據(jù)EPFL工程學(xué)院先進(jìn)量子架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人及該項(xiàng)目首席研究員Edoardo Charbon教授評(píng)價(jià)，“這是單光子雪崩二極管（SPAD）研究15年來的巔峰，SPAD是用于下一代圖像傳感技術(shù)的光電探測(cè)器?！?/p>

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員與日本佳能合作開發(fā)了一款具有創(chuàng)紀(jì)錄幀速和分辨率的3D相機(jī)

SPAD傳感器能夠探測(cè)最微弱的光，可達(dá)光子量級(jí)水平的能量。這主要?dú)w功于電子在高壓加速到高速時(shí)產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)。即在雪崩光電二極管的p-n結(jié)上施加一個(gè)非常高的反向偏壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，當(dāng)光照射到p-n結(jié)時(shí)所激發(fā)的光生載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后，在強(qiáng)電場(chǎng)中會(huì)受到加速而獲得足夠的動(dòng)能，在高速運(yùn)動(dòng)中與晶格發(fā)生碰撞，使晶格中的原子發(fā)生電離。通過碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)稱為二次電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)下又被加速，獲得足夠的能量再次與晶格碰撞，產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，這個(gè)過程不斷往復(fù)，使p-n結(jié)內(nèi)載流子迅速增加，電流隨之急劇增多，這種現(xiàn)象成為雪崩效應(yīng)。

SPAD傳感器可用于激光雷達(dá)（LiDAR）、PET掃描儀和飛行時(shí)間（ToF）3D傳感器，測(cè)量激光從發(fā)射到返回所需要的時(shí)間，以生成空間內(nèi)物體的三維地圖。通常，這類都是低分辨率傳感器，有的是單個(gè)像素，有些是高達(dá)1000像素的陣列，這意味著對(duì)于尺寸較大的物體必須進(jìn)行水平、垂直（或同時(shí)）掃描。這就需要在精確性、高精度以及高幀速之間做出權(quán)衡。

基于SPAD圖像傳感器的首款百萬像素分辨率光子計(jì)數(shù)相機(jī)示意圖

新款MegaX相機(jī)在這兩個(gè)方面都有巨大的進(jìn)步，它擁有百萬像素的分辨率，以及每秒24000幀的速率，相當(dāng)于每秒25GB的數(shù)據(jù)速率。MegaX相機(jī)的SPAD傳感器靈敏度驚人，能夠探測(cè)單個(gè)光子，提供了“前所未有”的動(dòng)態(tài)范圍，其快門時(shí)間低至3.8納秒。

研究人員證實(shí)，MegaX相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)其它傳感器無法完成的工作，比如通過部分透明的玻璃獲得良好的物體深度數(shù)據(jù)。

MegaX相機(jī)采用了非常小的SPAD像素，以在雪崩信號(hào)產(chǎn)生后立即“淬滅”信號(hào)，為下一幀刷新傳感器。這為其帶來了另一個(gè)非常理想的特性，即非常低的功耗，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)成熟到可以在智能手機(jī)和汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)中運(yùn)用時(shí)，這將非常有優(yōu)勢(shì)。這對(duì)于未來的量子通信、傳感和計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用也很重要。

當(dāng)然，它離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。其單個(gè)像素仍然太大，約9 μm，大約是常規(guī)相機(jī)CMOS圖像傳感器像素的10倍。不過，Charbon和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研究下一代MegaX相機(jī)，將像素尺寸降至2.2 μm左右。