用SPAD512S在3D成像中的應用

在從空間成像到生物醫學(xué)顯微鏡、安全、工業(yè)檢查和文化遺產(chǎn)等眾多領(lǐng)域，對快速、高分辨率和低噪聲3D成像的要求非常高。在這種情況下，傳統的全光成像代表了3D成像領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一，因為其超高的時(shí)間分辨率：

3D成像是在30M像素分辨率下每秒7幀的單次拍攝中實(shí)現的，

對于1M像素分辨率為每秒180幀；無(wú)多個(gè)傳感器，近場(chǎng)需要耗時(shí)的掃描或干涉技術(shù)。然而常規全光成像導致分辨率損失，這通常是不可接受的。我們打破這種限制的策略包括將一個(gè)全新的和基礎性的采用上一代硬件和軟件解決方案?；舅枷胧峭ㄟ^(guò)使用新型傳感器來(lái)利用存儲在光的相關(guān)性中的信息實(shí)現一項非常雄心勃勃的任務(wù)的測量協(xié)議：高速（10–100 fps）量子全光成像（QPI）具有超低噪聲和qian 所wei 有的性能分辨率和景深的組合。所開(kāi)發(fā)的成像技術(shù)旨在：在成為第一個(gè)實(shí)際可用和適當的“量子"成像技術(shù)超出了經(jīng)典成像模式的固有限制。除了基礎感興趣的是，該技術(shù)的量子特性允許在3D上提取信息來(lái)自極低光子通量下的光相關(guān)性的圖像，從而減少場(chǎng)景暴露于光照。對QPI的興趣是由潛在的相對于其他已建立的3D成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，其他與QPI不同，方法需要精細的干涉測量，如數字測量全息顯微鏡或相位恢復算法，如傅里葉全息圖，或快速脈沖照明，如飛行時(shí)間（TOF）成像。此外，QPI提供了無(wú)掃描顯微鏡模式的基礎，克服了共聚焦方法。

量子全光相機有望提供全光成像的優(yōu)勢，主要是超快和免掃描的 3D 成像和重聚焦能 力，其性能是經(jīng)典相機無(wú)法企及的。zui 先 jin的全光成像設備能夠在單次拍攝中獲取多視角 圖像.它們的工作原理是基于對給定場(chǎng)景中光的空間分布和傳播方向的同時(shí)測量。獲取 的方向信息轉化為快速 3D 成像所需的重聚焦能力、可增加的景深(DOF)和多視角 2D 圖像的 并行獲取。 在zui 先 jin的全光照相機中，方向檢測是通過(guò)在標準數碼相機的主鏡頭和傳感器之間插 入微透鏡陣列來(lái)實(shí)現的。傳感器獲取復合信息，該復合信息允許識別檢測到的光來(lái)自 的物點(diǎn)和透鏡點(diǎn)。然而，由于結構(使用微透鏡陣列)和基本(高斯極限)原因，圖像分辨率與獲 得的方向信息成反比地降低；因此，在基于簡(jiǎn)單強度測量的設備中，在衍射極限下的全光成像 被認為是無(wú)法實(shí)現的。

圖(a)傳統全光成像(PI)設備的方案:物體的圖像聚焦在微透鏡陣列上，而每個(gè)微透鏡將主透鏡 的圖像聚焦在后面的像素上。這種配置需要與方向分辨率的增益成比例的空間分辨率的損失；(b)顯 示了相關(guān)全光成像(CPI)設置的方案，其中方向信息是通過(guò)將物體聚焦的傳感器檢索到的信號與收集 光源圖像的傳感器相關(guān)聯(lián)而獲得的。

為了實(shí)現全光成像，我們正在尋求一個(gè)超高性能的探測器，一個(gè)相關(guān)部分是通過(guò)用基于jian 端技術(shù)的傳感器(如單光子雪崩 二極管(SPAD)陣列)取代商用高分辨率傳感器(如科學(xué) cmos 和 emccd 相機)來(lái)確定的。SPAD 基本上是一個(gè)光電二極管，其反向偏置電壓高于其擊穿電壓，因此撞擊其光敏區域的單個(gè) 光子可以產(chǎn)生電子-空穴對，從而觸發(fā)次級載流子的雪崩，并在非常短的時(shí)間尺度(皮秒) 內產(chǎn)生大電流。這種操作方式被稱(chēng)為蓋革模式。SPAD 輸出電壓由電子電路感測并直 接轉換成數字信號，進(jìn)一步處理以存儲光子到達和/或光子到達時(shí)間的二進(jìn)制信息。從本 質(zhì)上來(lái)說(shuō)，SPAD 可以被看作是一個(gè)具有精密時(shí)間精度的光子-數字轉換裝置。SPADs 也可以 選通，以便只在短至幾納秒的時(shí)間窗口內敏感。如今，單個(gè) SPAD 可以用作大 型陣列的構建模塊，每個(gè)像素電路都包含 SPAD 和即時(shí)光子處理邏輯和互連。有幾種 CMOS 工藝可供選擇，可以定制關(guān)鍵 SPAD 性能指標和整體傳感器或成像器架構.靈敏度和 填充因子有一段時(shí)間落后于科學(xué) CMOS 或 EMccd，但近年來(lái)已大幅趕上。 根據 QPI 的要求，我們選擇使用由 EPFL AQUA laboratory group 開(kāi)發(fā)的 SwisSPAD2 陣 列，其特點(diǎn)是 512×512 像素分辨率，這是迄今為止zui 廣泛、zui 先 jin的 SPAD 陣列 之一。傳感器內部由 256×512 像素的兩半組成，以減少信號線(xiàn)上的負載和偏斜，實(shí) 現更快的操作。這是一個(gè)純粹的二進(jìn)制門(mén)控成像器，即每個(gè)像素為每幀記錄 0(無(wú)光子)或 1(一個(gè)或多個(gè)光子)，讀出噪聲基本為零。傳感器由 FPGA 控制，FPGA 產(chǎn)生門(mén)控電路和讀出 序列的控制信號，并收集像素檢測結果。在 FPGA 中，在發(fā)送到計算機/GPU 進(jìn)行分析和存 儲之前，可以進(jìn)一步處理得到的一位圖像，例如，累積成多位圖像。對于準直光，通過(guò)微 透鏡陣列，最大幀速率為 97.7 kfps，10.5%的自然填充因子可以提高 4-5 倍 (優(yōu)化后的 模擬預計會(huì )有更高的值)；在 520 納米(700 納米)和 6.5 伏過(guò)量偏壓下，光子探測概率為 50% (25%)。該器件還具有低噪聲(室溫下每像素平均暗計數率通常低于 100 cps，中值約 低 10 倍)和先進(jìn)的納秒門(mén)控電路。

SwissSPAD2 門(mén)窗口輪廓。圖中標注了轉換時(shí)間和柵極寬度。柵極寬度可由用戶(hù)編程，內部激 光觸發(fā)模式下的最小柵極寬度為 10.8 ns。

wissSPAD2 顯微照片(左)和像素示意圖(右)。像素由 11 個(gè) NMOS 晶體管組成，7 個(gè)具有厚氧化 物，4 個(gè)具有薄氧化物柵極。像素在其存儲電容器中存儲二進(jìn)制光子計數。像素內門(mén)定義了相對于 20 MHz 外部觸發(fā)信號的時(shí)間窗口，其中像素對光子敏感。

全全光相機是一種全新的 3D 成像設備，利用 動(dòng)量-位置糾纏和光子數相關(guān)性來(lái)提供全光設備典型的重新聚焦和超快速、免掃描的 3D 成像能力，以及標 準全光相機無(wú)法實(shí)現的顯著(zhù)增強的性能:衍射極限分辨率、大焦深和超低噪聲；然而，為了使所 提出的器件的量子優(yōu)勢有效并吸引最終用戶(hù)，需要解決兩個(gè)主要挑戰。首先，由于相關(guān)測量需要大量的幀 來(lái)提供可接受的信噪比，如果用商業(yè)上可獲得的高分辨率相機來(lái)實(shí)現，量子全光成像(QPI)將需要幾十秒 到幾分鐘的采集時(shí)間。第二，為了檢索 3D 圖像或重新聚焦 2D 圖像，對這大量數據的加工需要高性能和耗 時(shí)的計算。為了應對這些挑戰，我們正在開(kāi)發(fā)高分辨率單光子雪崩光電二極管(SPAD)陣列和超快速電子設 備的高性能低級編程，結合壓縮傳感和量子層析成像算法，旨在將采集和加工時(shí)間減少兩個(gè)數量級。還將 討論開(kāi)發(fā) QPI 設備的途徑。

下面我將介紹下我們昊量光電所有一款SPAD512S相機，對全光成像具有很大的幫助。

我們的相機相對其他產(chǎn)品具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 相機具有很高的填充因子，并且還帶有微透鏡。

2. 暗噪聲非常小

3. 成像速度快

4. 面陣像素大，分辨率高

對于定制設備像素，我們wan 全 符合您的需求 - 我們喜歡挑戰！為此，我們與業(yè)內一些zui 優(yōu) 秀的供應商密切合作歡迎大家聯(lián) 系我們。

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