La nueva cámara de recuento de fotones captura imágenes en 3D con velocidad y resolución récord

Los investigadores han desarrollado la primera cámara de recuento de fotones de megapíxeles basada en la 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 avanzar en aplicaciones que requieren una rápida adquisición de imágenes en 3D, como la realidad aumentada y los sistemas LiDAR para vehículos autónomos.

“Gracias a su alta resolución y capacidad de 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 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 Sociedad Óptica (OSA) para la investigación de alto impacto, los investigadores describen cómo crearon uno de los píxeles SPAD más pequeños jamás diseñados y redujeron el consumo de energía de cada píxel a menos de 1 microvatio al tiempo que mantienen la velocidad y la precisión del tiempo. La nueva cámara puede adquirir imágenes de hasta 24,000 cuadros por segundo. A modo de comparación, 30 cuadros por segundo es la velocidad estándar utilizada para grabar video para televisión.

“Para las aplicaciones de transporte, esta nueva cámara podría ayudar a alcanzar niveles de autonomía y seguridad sin precedentes al permitir que se utilicen múltiples dispositivos LiDAR de baja potencia en un vehículo, proporcionando una vista 3D rápida y de alta resolución del entorno”, dijo el primer autor, Kazuhiro Morimoto de Canon Inc. en Japón. “En un futuro algo más lejano, la comunicación cuántica, la detección y la informática 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 avanzado de una novedad a versiones que son estándar en la mayoría de las cámaras de teléfonos inteligentes y en 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 que contengan SPAD.

En el nuevo trabajo, los investigadores recurrieron a 15 años de investigación SPAD en el AQUALab en EPFL para crear una cámara extremadamente rápida y de alta resolución que aprovecha la tecnología SPAD para 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 puede controlarse finamente para permitir la entrada de luz por tan solo 3.8 nanosegundos, aproximadamente cuatro billonésimas de segundo. Esta rápida ‘velocidad de obturación’ puede capturar un movimiento extremadamente rápido o utilizarse 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 diseñados para un bajo consumo de energía mediante el uso de un mecanismo de retroalimentación que apaga casi de inmediato la avalancha de electrones provocada por la detección de fotones. Esto mejora el rendimiento general y la fiabilidad de los píxeles. También utilizaron técnicas de diseño mejoradas para empacar los sensores SPAD más estrictamente, aumentando así la densidad del área de detección y permitiendo una cámara con un millón de píxeles.

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

Imágenes 3D 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 usar para calcular el tiempo que tardan los fotones individuales en recorrer la distancia desde una fuente a la cámara, conocida como tiempo de vuelo. La combinación de información sobre el 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 práctica para una variedad de aplicaciones.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionado por La sociedad óptica. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.

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