Revolutionizando a Imagem: Câmeras de Contagem de Fótons Megapixel para Visão Ultra-Rápida e Ultra-Precisa

Revolutionizando a Imagem: Câmeras de Contagem de Fótons Megapixel para Visão Ultra-Rápida e Ultra-Precisa

Imagine uma câmera projetada para capturar imagens com resolução de um único fóton a 24.000 quadros por segundo. Graças a um obturador eletrônico que pode permanecer aberto por apenas 3,8 ns e que pode ser sincronizado com pulsos de laser rápidos com duração de apenas alguns picossegundos, pode-se literalmente ver a luz se propagando pelo espaço. Com essa capacidade, novas aplicações se abrem, como visão quântica, imagem fantasma, imagem sub-shot-noise, LiDAR quântico e destilação quântica, para citar algumas.

Comum a essas aplicações é a necessidade de detecção de fóton único e alta resolução temporal com baixo ruído e alta sensibilidade. Esta nova câmera é capaz de tudo isso, mas, além disso, o faz em um milhão de pixels simultaneamente, permitindo uma aceleração considerável na captura e, possivelmente, na reconstrução. No núcleo desses pixels há um diodo de avalanche de fóton único (SPAD) que realiza a detecção de fótons, gerando um pulso digital. Este pulso pode ser contado ou carimbado com tempo, conferindo à câmera seu caráter de contagem de fótons e resolução temporal.

Em um artigo publicado no periódico revisado por pares Optica, apresentamos a primeira câmera de 1 Mpixel baseada em pixels SPAD. Os pixels têm um pitch de 9,4 μm, com arquitetura 7T (7 transistores por pixel) ou 5,75T. A micrografia do chip da câmera é mostrada na Figura 1(b). O diagrama de blocos da câmera é mostrado na Figura 1(a); ele compreende uma árvore binária dual para controle do obturador com precisão de cerca de 100 ps e posição ajustável em passos de 36 ps. Isso permite reconstruir imagens 3D medindo o tempo de voo de um pulso de luz ao sair do laser e ser refletido por um objeto. Também permite capturar a luz em voo, expondo interessantes efeitos relativísticos em laboratório.

O chip foi testado como sensor de imagem de intensidade com um padrão padrão (Figura 2(a)) em até 14 bits no nível do pixel. As Figuras 3(a) e (b) mostram imagens 2D e 3D coloridas obtidas iluminando uma cena com laser pulsado a 637 nm a 40 MHz e capturado no sensor de imagem de meia resolução. A janela de porta com seu comprimento de 3,8 ns é deslocada de 0,6 ns a 13,2 ns em passos de 36 ps para adquirir perfis completos de intensidade de fótons como função da posição da porta.

O LSB de distância nesta medição corresponde a 5,4 mm. A informação de profundidade é reconstruída detectando a posição da borda de subida do perfil de intensidade suavizado para cada pixel, correspondendo ao tempo de chegada do pulso de laser refletido. O desvio de temporização da porta sobre o array é compensado subtraindo a distribuição de desvio de temporização medida independentemente da distribuição medida de tempo de chegada. Na Figura 3(b), a cor vermelha denota maior proximidade à câmera SPAD, enquanto a cor azul corresponde a maior distância. O alcance de profundidade máximo para esta medição foi definido para 2 m, mas pode ser estendido para dezenas de metros diminuindo a frequência de repetição do laser e aumentando o passo da porta.

O passo fino de varredura da porta e a longa exposição são usados para alcançar alta precisão de profundidade, e o tempo de aquisição de dados resultante para esta medição foi de algumas dezenas de segundos. Isso é consideravelmente mais longo do que o de outros métodos de medição de distância, como tempo de voo indireto, mas pode ser prontamente reduzido aumentando o passo de varredura da porta, reduzindo o alcance de varredura e aumentando a potência do laser para reduzir o tempo de exposição. Além disso, melhorias adicionais são esperadas pela implementação de uma microlente on-chip para aumentar a sensibilidade.

A Figura 3(c) mostra a distância medida como função da distância real do objeto. Nas Figuras 3(c), (d) e (e), um objeto plano coberto com papel branco (refletância em torno de 60%) é usado para avaliar a distância medida, precisão e exatidão. Na Figura 3(c), a distância medida é extraída pela média da distância de pixel único sobre 20×20 pixels no centro do array. Um acordo muito bom com a distância real é observado dentro do alcance medido de 0,2 a 1,6 m. Na Figura 3(d), a exatidão da distância é calculada como a distância medida média subtraída pela distância real. Para o alcance de distância medido, a exatidão é sempre melhor que 1 cm. Na Figura 3(e), a precisão da distância é explorada como desvio padrão da distância de pixel único sobre 20×20 pixels no centro do array. A precisão é melhor que 7,8 mm (rms) para todos os pontos medidos até 1,6 m.

A detecção de múltiplos objetos foi demonstrada experimentalmente por codificação de iluminação temporal ou padrões de exposição, o que envolve grande custo computacional para recuperar imagens 3D. Um sensor de tempo de voo com porta temporal fornece uma solução alternativa e escalável por meio de circuitaria de pixel compacta e computação menos complicada.

A Figura 4(a) mostra o arranjo experimental: feixe de laser a 510 nm pulsado a 40 MHz é espalhado por um difusor e usado para iluminar um alvo esférico. A câmera SPAD é sincronizada com o sinal de disparo do laser, e uma placa plástica transparente é inserida entre a câmera e o objeto. As distâncias da câmera para a placa plástica e para o objeto são 0,45 m e 0,75 m, respectivamente. A Figura 4(b) mostra imagens de intensidade 2D sob iluminação interna com e sem a placa plástica inserida. Como a placa é quase transparente, nenhuma diferença significativa é observada nas imagens 2D para esses dois casos.

Os perfis de porta temporal medidos para três pontos representativos (A, B e C) são plotados na Figura 4(c). Sem a placa, os perfis de porta temporal para os pontos A e B mostram apenas uma única forma de onda de função retangular suavizada com sua borda de subida em torno da posição da porta 100 (um passo da posição correspondendo a 36 ps). Para o ponto C, a contagem de fótons permanece próxima de zero sobre o alcance medido de posição da porta, indicando que nenhum objeto reflexivo é detectado neste pixel.

Com a placa plástica, por outro lado, o perfil no ponto A mostra duas bordas de subida em degrau em torno das posições da porta 40 e 100. Dado que o perfil medido de contagem de fótons é uma convolução de uma única função retangular suavizada e a distribuição de intensidade de fótons refletidos, o perfil de dois degraus é evidência convincente de reflexão dupla da placa plástica e do objeto esférico. Comportamento semelhante é observado no ponto B, onde a inclinação da primeira borda de subida em torno da posição da porta 40 é mais suave que a do ponto A. O perfil no ponto C mostra apenas uma única borda de subida em torno da posição da porta 40, correspondendo à reflexão da placa plástica. A variação da inclinação para a borda de subida em torno da posição da porta 40 entre diferentes pontos é induzida pela reflexão não uniforme da superfície da placa plástica.

Os resultados demonstram a capacidade de uma câmera SPAD com porta temporal de realizar detecção de múltiplos objetos espacialmente sobrepostos. Note que o esquema proposto pode ser aplicado à detecção de mais de dois picos de reflexão. Varredura mais fina da janela de porta virtual em pós-processamento permite detecção sistemática de múltiplos picos. A distância mínima resolvível entre dois materiais reflexivos vizinhos é fundamentalmente limitada pelo tempo finito de subida ou descida do perfil da janela de porta, correspondendo a 5-10 cm neste sensor SPAD.

Em conclusão, um sensor de imagem SPAD com porta temporal de 1 Mpixel foi relatado pela primeira vez. Na pesquisa SPAD, alcançar um sensor SPAD de megapixel tem sido considerado um dos marcos mais importantes há mais de uma década. O sensor é aplicado a imagem 2D de alta faixa dinâmica e imagem 3D de alta resolução espaço-temporal. Ao melhor de nosso conhecimento, a detecção de múltiplos objetos espacialmente sobrepostos com esquema de porta temporal de fóton único foi demonstrada experimentalmente pela primeira vez.

A Figura 5 mostra uma comparação do estado da arte de pitch de pixel SPAD e tamanho de array. O tamanho do array do sensor é o maior, quase 4 vezes maior que o do sensor de estado da arte, enquanto o pitch do pixel é um dos menores. Devido às suas capacidades de imagem 2D e 3D de alta resolução, o sensor proposto será útil em uma ampla variedade de aplicações industriais, como segurança, automotiva, robótica, biomédica e científicas, incluindo imagem quântica e imagem ultra-rápida.

Leia um relatório completo sobre a tecnologia no periódico científico Optica .

Este artigo foi escrito por Edoardo Charbon, Professor, EPFL Suíça (Lausanne, Suíça). Para mais informações, visite aqui .