麦姆斯咨询：百万像素高帧速光子传感3D相机诞生
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瑞士洛桑联邦理工学院研究人员与日本佳能合作开发了一款具有创纪录帧速和分辨率的3D相机
据麦姆斯咨询报道 ， 瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发出了一种新型深度传感3D相机 ， 它能够以百万像素的分辨率和每秒24000帧的速度探测单个光子 。 这种创纪录的性能有望为自动驾驶汽车的下一代视觉系统提供支持 。
这款被称为MegaX的3D相机由瑞士EPFL的研究人员联合日本佳能（Canon）共同设计 ， 据EPFL工程学院先进量子架构实验室负责人及该项目首席研究员EdoardoCharbon教授评价 ， “这是单光子雪崩二极管（SPAD）研究15年来的巅峰 ， SPAD是用于下一代图像传感技术的光电探测器 。 ”
SPAD传感器能够探测最微弱的光 ， 可达光子量级水平的能量 。 这主要归功于电子在高压加速到高速时产生的雪崩效应 。 即在雪崩光电二极管的p-n结上施加一个非常高的反向偏压 ， 使结区产生很强的电场 ， 当光照射到p-n结时所激发的光生载流子进入结区后 ， 在强电场中会受到加速而获得足够的动能 ， 在高速运动中与晶格发生碰撞 ， 使晶格中的原子发生电离 。 通过碰撞电离产生的电子空穴对称为二次电子空穴对 。 新产生的电子空穴对在强电场下又被加速 ， 获得足够的能量再次与晶格碰撞 ， 产生新的电子空穴对 ， 这个过程不断往复 ， 使p-n结内载流子迅速增加 ， 电流随之急剧增多 ， 这种现象成为雪崩效应 。
SPAD传感器可用于激光雷达（LiDAR）、PET扫描仪和飞行时间（ToF）3D传感器 ， 测量激光从发射到返回所需要的时间 ， 以生成空间内物体的三维地图 。 通常 ， 这类都是低分辨率传感器 ， 有的是单个像素 ， 有些是高达1000像素的阵列 ， 这意味着对于尺寸较大的物体必须进行水平、垂直（或同时）扫描 。 这就需要在精确性、高精度以及高帧速之间做出权衡 。
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基于SPAD图像传感器的首款百万像素分辨率光子计数相机示意图
新款MegaX相机在这两个方面都有巨大的进步 ， 它拥有百万像素的分辨率 ， 以及每秒24000帧的速率 ， 相当于每秒25GB的数据速率 。 MegaX相机的SPAD传感器灵敏度惊人 ， 能够探测单个光子 ， 提供了“前所未有”的动态范围 ， 其快门时间低至3.8纳秒 。
研究人员证实 ， MegaX相机可以实现其它传感器无法完成的工作 ， 比如通过部分透明的玻璃获得良好的物体深度数据 。
MegaX相机采用了非常小的SPAD像素 ， 以在雪崩信号产生后立即“淬灭”信号 ， 为下一帧刷新传感器 。 这为其带来了另一个非常理想的特性 ， 即非常低的功耗 ， 当这项技术成熟到可以在智能手机和汽车激光雷达系统中运用时 ， 这将非常有优势 。 这对于未来的量子通信、传感和计算系统应用也很重要 。
当然 ， 它离实际应用还有一段距离 。 其单个像素仍然太大 ， 约9μm ， 大约是常规相机CMOS图像传感器像素的10倍 。 不过 ， Charbon和他的团队已经在研究下一代MegaX相机 ， 将像素尺寸降至2.2μm左右 。
【麦姆斯咨询：百万像素高帧速光子传感3D相机诞生】
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