SPAD512S單光子相機(jī)在3D成像中的應(yīng)用

在從空間成像到生物醫(yī)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(duì)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(tǒng)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?yàn)槠涑�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(xiàn)的，

對(duì)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(guī)全光成像導(dǎo)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(chǔ)性的采用上一代硬件和軟件解決方案�；�本思想是通過(guò)使用新型傳感器來(lái)利用存儲(chǔ)在光的相關(guān)性中的信息實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)非常雄心勃勃的任務(wù)的測(cè)量協(xié)議：高速（10–100 fps）量子全光成像（QPI）具有超低噪聲和前所未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(dāng)?shù)?ldquo;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(chǔ)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(duì)QPI的興趣是由潛在的相對(duì)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(xì)的干涉測(cè)量，如數(shù)字測(cè)量全息顯微鏡或相位恢復(fù)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(chǔ)，克服了共聚焦方法。
 

量子全光相機(jī)有望提供全光成像的優(yōu)勢(shì)，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(jī)無(wú)法企及的。最先進(jìn)的全光成像設(shè)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(duì)給定場(chǎng)景中光的空間分布和傳播方向的同時(shí)測(cè)量。獲取 的方向信息轉(zhuǎn)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。 在最先進(jìn)的全光照相機(jī)中，方向檢測(cè)是通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼相機(jī)的主鏡頭和傳感器之間插 入微透鏡陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳感器獲取復(fù)合信息，該復(fù)合信息允許識(shí)別檢測(cè)到的光來(lái)自 的物點(diǎn)和透鏡點(diǎn)。然而，由于結(jié)構(gòu)(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(qiáng)度測(cè)量的設(shè)備中，在衍射極限下的全光成像 被認(rèn)為是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
 

圖(a)傳統(tǒng)全光成像(PI)設(shè)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(shè)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(hào)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(xiàn)全光成像，我們正在尋求一個(gè)超高性能的探測(cè)器，一個(gè)相關(guān)部分是通過(guò)用基于尖端技術(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(jī))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(qū)域的單個(gè) 光子可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而觸發(fā)次級(jí)載流子的雪崩，并在非常短的時(shí)間尺度(皮秒) 內(nèi)產(chǎn)生大電流。這種操作方式被稱為蓋革模式。SPAD 輸出電壓由電子電路感測(cè)并直 接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)一步處理以存儲(chǔ)光子到達(dá)和/或光子到達(dá)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(shù)字轉(zhuǎn)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(nèi)敏感。如今，單個(gè) SPAD 可以用作大 型陣列的構(gòu)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(biāo)和整體傳感器或成像器架構(gòu).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(jù) 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，這是迄今為止最廣泛、最先進(jìn)的 SPAD 陣列 之一。傳感器內(nèi)部由 256×512 像素的兩半組成，以減少信號(hào)線上的負(fù)載和偏斜，實(shí) 現(xiàn)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，F(xiàn)PGA 產(chǎn)生門(mén)控電路和讀出 序列的控制信號(hào)，并收集像素檢測(cè)結(jié)果。在 FPGA 中，在發(fā)送到計(jì)算機(jī)/GPU 進(jìn)行分析和存 儲(chǔ)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(duì)于準(zhǔn)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(yù)計(jì)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(cè)概率為 50% (25%)。該器件還具有低噪聲(室溫下每像素平均暗計(jì)數(shù)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(biāo)注了轉(zhuǎn)換時(shí)間和柵極寬度。柵極寬度可由用戶編程，內(nèi)部激 光觸發(fā)模式下的最小柵極寬度為 10.8 ns。
 

SwissSPAD2 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(chǔ)電容器中存儲(chǔ)二進(jìn)制光子計(jì)數(shù)。像素內(nèi)門(mén)定義了相對(duì)于 20 MHz 外部觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間窗口，其中像素對(duì)光子敏感。

全全光相機(jī)是一種全新的 3D 成像設(shè)備，利用 動(dòng)量-位置糾纏和光子數(shù)相關(guān)性來(lái)提供全光設(shè)備典型的重新聚焦和超快速、免掃描的 3D 成像能力，以及標(biāo) 準(zhǔn)全光相機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的顯著增強(qiáng)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(shì)有效并吸引最終用戶，需要解決兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。首先，由于相關(guān)測(cè)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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(duì)這大量數(shù)據(jù)的加工需要高性能和耗 時(shí)的計(jì)算。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，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(shè) 備的高性能低級(jí)編程，結(jié)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(shù)量級(jí)。還將 討論開(kāi)發(fā) QPI 設(shè)備的途徑。

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

我們的相機(jī)相對(duì)其他產(chǎn)品具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 相機(jī)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

相關(guān)文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.3390/app11146414

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