革新成像技术：百万像素单光子计数相机实现超快超精准视觉

单光子分辨率下的24000帧/秒极速捕捉

想象一款相机，能以单光子分辨率、每秒24000帧的速度捕捉图像。得益于仅开启3.8纳秒的电子快门，并能与仅持续几皮秒的快速激光脉冲同步，我们字面意义上实现了"看见光在空间中传播"。这种能力开启了量子视觉、鬼成像、亚散粒噪声成像、量子激光雷达、量子蒸馏等全新应用领域。

这些应用的共同需求是：单光子检测、高时间分辨率、低噪声和高灵敏度。这款新相机不仅满足所有要求，更在百万像素上同时实现，从而大幅加速捕获和重构过程。每个像素核心是单光子雪崩二极管（SPAD），执行光子检测并产生数字脉冲。该脉冲可被计数或时间戳标记，赋予相机光子计数和时间分辨特性。

首创百万像素SPAD相机架构

在同行评审期刊《Optica》发表的论文中，我们展示了首款基于SPAD像素的百万像素相机。像素间距9.4微米，采用7T（每像素7晶体管）或5.75T架构。图1(b)展示相机芯片显微照片。图1(a)为相机框图：包含用于控制快门的双二叉树，精度约100皮秒，位置可调步进36皮秒。这使得通过测量光脉冲从激光器发出到被物体反射的飞行时间，重构3D图像成为可能；也能捕捉飞行中的光，在实验室中展现有趣的相对论效应。

芯片作为强度图像传感器测试，使用标准图表（图2(a)）实现像素级14位动态范围。图3(a)和(b)展示用637纳米、40兆赫脉冲激光照明场景、半分辨率图像传感器捕获的2D图像和伪彩色3D图像。门控窗口长度3.8纳秒，从0.6纳秒移至13.2纳秒，步进36皮秒，获取完整光子强度分布随门位置的变化。

本测量中距离最低有效位（LSB）对应5.4毫米。通过检测每个像素平滑强度分布的上升沿位置（对应反射激光脉冲到达时间）重构深度信息。通过减去独立测量的时序偏差分布来补偿阵列上的门控时序偏差。图3(b)中红色表示靠近SPAD相机，蓝色表示距离较远。本测量最大深度范围设为2米，但通过降低激光重复频率和增加门步进可扩展至数十米。

精细门扫描间距和长曝光用于实现高深度精度，该测量数据采集耗时数十秒。虽比间接飞行时间等测距方法长得多，但可通过增加门扫描间距、减小扫描范围、提高激光功率降低曝光时间来大幅缩短。此外，片上微透镜实施有望进一步提升灵敏度。

多目标检测与距离精度验证

图3(c)显示测量距离随实际物体距离的变化。图3(c)、(d)、(e)使用覆白纸的平面物体（反射率约60%）评估测量距离、准确度和精度。图3(c)中，测量距离取阵列中心20×20像素单像素距离平均值。在0.2至1.6米测量范围内，与实际距离吻合度极高。图3(d)中，距离准确度为平均测量距离减实际距离，全范围内优于1厘米。图3(e)中，距离精度为阵列中心20×20像素单像素距离标准差，所有测量点精度优于7.8毫米（RMS）。

通过编码时间照明或曝光模式，已实验验证多目标检测，但涉及大量计算成本恢复3D图像。时间门控飞行时间传感器提供替代可扩展方案，凭借紧凑像素电路和更简单计算实现。

空间重叠多目标检测突破

图4(a)展示实验装置：510纳米、40兆赫脉冲激光经扩散器照亮球形目标。SPAD相机与激光触发信号同步，相机与物体间插入透明塑料板。相机到塑料板和物体距离分别为0.45米和0.75米。图4(b)显示室内光照下有无塑料板的2D强度图像。因板近乎透明，两种情况2D图像无显著差异。

图4(c)绘制三个代表点（A、B、C）的测量时间门控分布。无塑料板时，点A、B显示单一平滑矩形函数波形，上升沿约在门位置100（一步对应36皮秒）。点C光子计数在测量门位置范围内接近零，表明未检测到反射物体。

有塑料板时，点A轮廓显示门位置40和100处两级上升沿。因测量光子计数分布是单一平滑矩形函数与反射光子强度分布的卷积，两级轮廓有力证明来自塑料板和球体的双重反射。点B观察到类似行为，门位置40处第一上升沿斜率比点A缓和。点C仅显示门位置40处单一上升沿，对应塑料板反射。门位置40处上升沿斜率在不同点间的变化由塑料板表面非均匀反射引起。

结果证明时间门控SPAD相机具备空间重叠多目标检测能力。该方案可应用于两个以上反射峰检测。虚拟门窗后处理精细扫描可系统性检测多个峰值。两相邻反射材料最小可分辨距离根本上受限于门窗轮廓有限上升/下降时间，本SPAD传感器对应5-10厘米。

总结与前景展望

首次报道百万像素时间门控SPAD图像传感器。在SPAD研究领域，实现百万像素SPAD传感器十余年来被视为最重要里程碑之一。该传感器应用于高动态范围2D成像和高时空分辨率3D成据我们所知，基于单光子时间门控方案的空间重叠多目标检测首次实验验证。

图5展示SPAD像素间距和阵列尺寸的最新技术对比。该传感器阵列尺寸最大，几乎是最先进传感器的4倍，而像素间距属于最小行列。凭借高分辨率2D和3D成像能力，该传感器将广泛服务于安防、汽车、机器人、生物医学和科学应用，包括量子成像和超高速成像。

阅读《Optica》期刊完整技术报告 .

本文由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授Edoardo Charbon撰写. 更多信息请访问 .