Los investigadores han desarrollado la primera cámara de conteo de fotones de megapíxeles basada en tecnología de sensor de imagen de nueva generación que utiliza diodos de avalancha de fotón único (SPAD). La nueva cámara puede detectar fotones de luz individuales a velocidades sin precedentes, una capacidad que podría promover aplicaciones que requieren una rápida adquisición de imágenes 3-D, como la realidad aumentada y los sistemas LiDAR para vehículos autónomos.

"Gracias a su alta resolución y capacidad para medir la profundidad, esta nueva cámara podría hacer que la realidad virtual sea más realista y permitirle interactuar con la información de realidad aumentada de una manera más fluida, ", dijo Edoardo Charbon del Laboratorio de Arquitectura Cuántica Avanzada (AQUALab) en la École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza. Charbon desarrolló la idea de la nueva cámara y es el fundador y director de AQUALab, donde se diseñó el sensor de imagen.

En Optica , La revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, los investigadores describen cómo crearon uno de los píxeles SPAD más pequeños jamás ideados y redujeron el consumo de energía de cada píxel a menos de 1 microvatio mientras mantenían la velocidad y la precisión del tiempo. La nueva cámara puede adquirir imágenes hasta 24, 000 cuadros por segundo. Para comparacion, 30 cuadros por segundo es la velocidad estándar utilizada para grabar videos para televisión.

"Para aplicaciones de transporte, esta nueva cámara podría ayudar a lograr niveles sin precedentes de autonomía y seguridad al permitir el uso de múltiples dispositivos LiDAR de baja potencia en un vehículo, proporcionando rápido, vista en 3-D de alta resolución de los alrededores, "dijo el primer autor, Kazuhiro Morimoto de Canon Inc. en Japón. "En un futuro algo más lejano, comunicación cuántica, la detección y la computación podrían beneficiarse de las cámaras de conteo de fotones con resolución de varios megapíxeles ".

Un nuevo tipo de sensor

En menos de 20 años, Los sensores SPAD han pasado de ser una novedad a versiones que son estándar en la mayoría de las cámaras de teléfonos inteligentes y muchos dispositivos domésticos. El éxito de esta tecnología proviene del hecho de que los sensores SPAD son extremadamente eficientes para detectar fotones individuales y convertirlos en señales eléctricas que se almacenan en una memoria digital. Se puede crear una cámara de gran formato construyendo una matriz de píxeles, cada uno de los cuales contiene un SPAD.

En el nuevo trabajo Los investigadores se basaron en 15 años de investigación SPAD en el AQUALab en EPFL para crear un extremadamente rápido, cámara de alta resolución que aprovecha la tecnología SPAD para obtener imágenes avanzadas. La nueva cámara detecta fotones individuales y los convierte en señales eléctricas a una velocidad récord de aproximadamente 150 millones de veces por segundo. Cada sensor SPAD se puede controlar con precisión para permitir la entrada de luz por tan solo 3,8 nanosegundos, aproximadamente cuatro mil millonésimas de segundo. Esta rápida 'velocidad de obturación' puede capturar movimientos extremadamente rápidos o usarse para aumentar el rango dinámico (la diferencia entre los tonos más oscuros y más claros) de una imagen adquirida.

Los investigadores crearon píxeles SPAD extremadamente pequeños y los diseñaron para un bajo consumo de energía mediante el uso de un mecanismo de retroalimentación que apaga casi de inmediato la avalancha de electrones desencadenada por la detección de fotones. Esto mejora el rendimiento general y la confiabilidad de los píxeles. También utilizaron técnicas de diseño mejoradas para empaquetar los sensores SPAD más ajustados, aumentando así la densidad del área de detección y habilitando una cámara con un millón de píxeles.

Luego, los investigadores aplicaron sofisticadas técnicas de diseño de circuitos integrados para crear una distribución extremadamente uniforme de señales eléctricas rápidas sobre la matriz de píxeles a gran escala. Demostraron que las velocidades de obturación variaban solo un 3 por ciento en el millón de píxeles, demostrando que este sensor podría fabricarse utilizando las técnicas de producción en masa disponibles.

Imágenes 3-D de alta velocidad

La velocidad de la cámara permite medir el tiempo que un fotón golpea el sensor con mucha precisión. Esta información se puede utilizar para calcular cuánto tardan los fotones individuales en recorrer la distancia desde una fuente a la cámara. conocido como tiempo de vuelo. La combinación de información de tiempo de vuelo con la capacidad de capturar un millón de píxeles simultáneamente permite la reconstrucción de imágenes en 3D a una velocidad extremadamente alta.

Los investigadores utilizaron la nueva cámara para determinar el tiempo de vuelo de los fotones emitidos por una fuente láser y reflejados por un objetivo. También capturaron escenas complejas que son difíciles de medir para otras técnicas de imagen. como un objeto visto a través de una ventana parcialmente transparente, y utilizaron la cámara para adquirir imágenes convencionales con rangos dinámicos sin precedentes. En el futuro, planean mejorar aún más el rendimiento y la resolución de sincronización de la cámara y miniaturizar aún más los componentes para que sea más práctico para una variedad de aplicaciones.