メガピクセルフォトンカウンティングカメラテクノロジー
1秒あたり24,000フレームで単一光子の解像度で画像をキャプチャするように設計されたカメラを想像してください。わずか3.8nsの間開いたままで、わずか数ピコ秒の持続時間で高速レーザーパルスと同期できる電子シャッターのおかげで、文字通り空間を伝搬する光を見ることができます。この機能により、量子ビジョン、ゴーストイメージング、サブショットノイズイメージング、量子LiDAR、量子蒸留などの新しいアプリケーションが可能になります。
これらのアプリケーションに共通するのは、低ノイズと高感度を備えた単一光子検出と高タイミング分解能の必要性です。この新しいカメラはそれをすべて行うことができますが、それに加えて、100万ピクセルで同時にそれを実行するため、キャプチャと、場合によっては再構築の大幅な高速化が可能になります。これらのピクセルのコアには、光子検出を実行してデジタルパルスを生成する単一光子アバランシェダイオード（SPAD）があります。このパルスはカウントまたはタイムスタンプを付けることができるため、カメラのフォトンカウントと時間分解特性が得られます。
査読付きジャーナルOpticaに掲載された論文で、SPADピクセルに基づく最初の1Mピクセルカメラを紹介しました。ピクセルのピッチは9.4μmで、7T（ピクセルあたり7トランジスタ）または5.75Tアーキテクチャです。カメラチップの顕微鏡写真を図1（b）に示します。カメラのブロック図を図1（a）に示します。シャッターを約100psの精度で制御するためのデュアルバイナリツリーと、36psのステップで調整可能な位置で構成されています。これにより、光パルスがレーザーを離れて物体に反射するときの光パルスの飛行時間を測定することにより、3D画像を再構成することができます。また、飛行中の光を捉えることができるため、実験室で興味深い相対論的効果を明らかにすることができます。
チップは、ピクセルレベルで最大14ビットの標準チャート（図2（a））を備えた強度イメージセンサーとしてテストされました。図3（a）および（b）は、40MHzでパルスされた637nmレーザーでシーンを照らし、ハーフ解像度イメージセンサーでキャプチャした2Dおよび色分けされた3D画像を示しています。長さが3.8nsのゲートウィンドウは、ゲート位置の関数として完全な光子強度プロファイルを取得するために、36psのステップで0.6nsから13.2nsにシフトされます。
この測定の距離LSBは5.4mmに対応します。深さ情報は、反射されたレーザーパルスの到着時間に対応する、各ピクセルの平滑化された強度プロファイルの立ち上がりエッジ位置を検出することによって再構築されます。アレイ上のゲートタイミングスキューは、測定された到着時間分布から独立して測定されたタイミングスキュー分布を差し引くことによって補正されます。図3（b）で、赤色はSPADカメラへの近接度が高いことを示し、青色は距離が遠いことを示します。この測定の最大深度範囲は2mに設定されていますが、レーザー繰り返し周波数を下げ、ゲートステップを増やすことで、数十メートルまで拡張できます。
ファインゲートスキャンピッチと長時間露光を使用して高深度精度を実現し、この測定で得られたデータ取得時間は数十秒でした。これは、間接飛行時間などの他の測距方法よりもかなり長くなりますが、ゲート走査ピッチを大きくし、走査範囲を狭め、レーザー出力を上げて露光時間を短縮することで、簡単に短縮できます。さらに、感度を高めるためにオンチップマイクロレンズを実装することにより、さらなる改善が期待されます。
図3（c）は、実際の物体距離の関数として測定された距離を示しています。図3（c）、（d）、（e）では、白い紙で覆われた平らな物体（反射率約60％）を使用して、測定された距離、精度、精度を評価しています。図3（c）では、測定された距離は、アレイの中心にある20×20ピクセルの単一ピクセル距離の平均をとることによって抽出されています。 0.2〜1.6mの測定範囲内で、実際の距離と非常によく一致しています。図3（d）では、距離の精度は、平均測定距離から実際の距離を差し引いたものとして計算されます。測定された距離範囲では、精度は常に1cmよりも優れています。図3（e）では、距離の精度は、アレイの中心にある20×20ピクセルにわたる単一ピクセル距離の標準偏差として利用されています。精度は、1.6mまでのすべての測定ポイントで7.8 mm（rms）よりも優れています。
マルチオブジェクト検出は、時間的照明または露出パターンのコーディングによって実験的に実証されています。これには、3D画像を復元するための大きな計算コストが伴います。タイムゲート飛行時間センサーは、コンパクトなピクセル回路とそれほど複雑でない計算によって、代替のスケーラブルなソリューションを提供します。
図4（a）は、実験のセットアップを示しています。40MHzでパルスされた510 nmのレーザービームは、ディフューザーによって拡散され、球形のターゲットを照らすために使用されます。 SPADカメラはレーザートリガー信号と同期しており、透明なプラスチックプレートがカメラとオブジェクトの間に挿入されます。カメラからプラスチックプレートおよびオブジェクトまでの距離は、それぞれ0.45mおよび0.75mです。図4（b）は、プラスチックプレートが挿入されている場合と挿入されていない場合の屋内照明下の2D強度画像を示しています。プレートはほぼ透明であるため、これら2つのケースの2D画像に大きな違いは見られません。
3つの代表的なポイント（A、B、C）の測定されたタイムゲーティングプロファイルが図4（c）にプロットされています。プレートがない場合、ポイントAとBのタイムゲーティングプロファイルは、ゲート位置100（36 psに対応する位置の1ステップ）の周りに立ち上がりエッジを持つ単一の平滑化された矩形関数波形のみを示します。ポイントCの場合、フォトンカウントは、測定されたゲート位置範囲にわたってゼロに近いままであり、このピクセルで反射物体が検出されていないことを示します。
対照的に、プラスチックプレートの場合、ポイントAのプロファイルは、ゲート位置40と100の周りに2段階の立ち上がりエッジを示します。測定されたフォトンカウントのプロファイルが、単一の平滑化された矩形関数と反射されたフォトン強度分布の畳み込みであるとすると、 2段階のプロファイルは、プラスチックプレートと球形オブジェクトからの二重反射の説得力のある証拠です。同様の動作がポイントBでも観察され、ゲート位置40の周りの最初の立ち上がりエッジの傾きはポイントAの傾きよりも緩やかです。ポイントCのプロファイルは、プラスチックからの反射に対応する、ゲート位置40の周りの単一の立ち上がりエッジのみを示しています。皿。異なるポイント間のゲート位置40付近の立ち上がりエッジの傾きの変化は、プラスチックプレートの表面からの不均一な反射によって引き起こされます。
結果は、空間的にオーバーラップしたマルチオブジェクト検出を実行するタイムゲートSPADカメラの機能を示しています。提案されたスキームは、3つ以上の反射ピークの検出に適用できることに注意してください。後処理で仮想ゲートウィンドウをより細かくスキャンすることで、複数のピークを体系的に検出できます。 2つの隣接する反射材料間の最小分解可能距離は、基本的に、このSPADセンサーの5〜10 cmに対応する、ゲートウィンドウプロファイルの有限の立ち上がり時間または立ち下がり時間によって制限されます。
結論として、1メガピクセルのタイムゲートSPADイメージセンサーが初めて報告されました。 SPADの研究では、メガピクセルのSPADセンサーを実現することは、10年以上にわたって最も重要なマイルストーンの1つと見なされてきました。センサーは、高ダイナミックレンジの2Dイメージングと高時空間分解能の3Dイメージングに適用されます。私たちの知る限り、単一光子タイムゲーティングスキームを使用した空間的にオーバーラップしたマルチオブジェクト検出は、初めて実験的に実証されました。
図5は、SPADピクセルピッチとアレイサイズの最新の比較を示しています。センサーのアレイサイズは最大で、最先端のセンサーのほぼ4倍ですが、ピクセルピッチは最小の1つです。その高解像度の2Dおよび3Dイメージング機能により、提案されたセンサーは、量子イメージングや超高速イメージングなど、セキュリティ、自動車、ロボット、生物医学、科学などのさまざまな産業アプリケーションで役立ちます。
科学雑誌Optica
この記事は、EPFLスイス（スイス、ローザンヌ）の教授であるEdoardoCharbonによって書かれました。詳細については、こちらをご覧ください 。
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