Des chercheurs ont développé la première caméra de comptage de photons mégapixel basée sur une technologie de capteur d'image de nouvelle génération qui utilise des diodes à avalanche à photon unique (SPAD). La nouvelle caméra peut détecter des photons uniques de lumière à des vitesses sans précédent, une capacité qui pourrait faire progresser les applications nécessitant une acquisition rapide d'images 3D telles que la réalité augmentée et les systèmes LiDAR pour les véhicules autonomes.

"Grâce à sa haute résolution et sa capacité à mesurer la profondeur, cette nouvelle caméra pourrait rendre la réalité virtuelle plus réaliste et vous permettre d'interagir avec des informations de réalité augmentée de manière plus transparente, " a déclaré Edoardo Charbon du Laboratoire d'architecture quantique avancée (AQUALab) de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse. Charbon a développé l'idée de la nouvelle caméra et est le fondateur et directeur d'AQUALab, où le capteur d'image a été conçu.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society (OSA) pour la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent comment ils ont créé l'un des plus petits pixels SPAD jamais conçus et réduit la consommation d'énergie de chaque pixel à moins de 1 microwatt tout en maintenant la vitesse et la précision de synchronisation. La nouvelle caméra peut acquérir des images jusqu'à 24, 000 images par seconde. En comparaison, 30 images par seconde est le taux standard utilisé pour enregistrer une vidéo pour la télévision.

"Pour les applications de transport, cette nouvelle caméra pourrait aider à atteindre des niveaux d'autonomie et de sécurité sans précédent en permettant l'utilisation de plusieurs dispositifs LiDAR à faible consommation sur un véhicule, fournir rapidement, vue 3D haute résolution des environs, " a déclaré le premier auteur, Kazuhiro Morimoto de Canon Inc. au Japon. « Dans un avenir un peu plus lointain, communication quantique, la détection et l'informatique pourraient tous bénéficier des caméras de comptage de photons avec une résolution de plusieurs mégapixels."

Un nouveau type de capteur

En moins de 20 ans, Les capteurs SPAD sont passés d'une nouveauté à des versions standard dans la plupart des appareils photo pour smartphones et de nombreux appareils ménagers. Le succès de cette technologie vient du fait que les capteurs SPAD sont extrêmement efficaces pour détecter les photons uniques et les convertir en signaux électriques qui sont stockés dans une mémoire numérique. Une caméra grand format peut être créée en construisant un réseau de pixels contenant chacun un SPAD.

Dans le nouveau travail, les chercheurs se sont appuyés sur 15 ans de recherche SPAD à l'AQUALab de l'EPFL pour créer un caméra haute résolution qui exploite la technologie SPAD pour une imagerie avancée. La nouvelle caméra détecte les photons uniques et les convertit en signaux électriques à un taux record d'environ 150 millions de fois par seconde. Chaque capteur SPAD peut être contrôlé avec précision pour laisser entrer la lumière pendant aussi peu que 3,8 nanosecondes, environ quatre milliardièmes de seconde. Cette « vitesse d'obturation » rapide peut capturer des mouvements extrêmement rapides ou être utilisée pour augmenter la plage dynamique (la différence entre les tons les plus sombres et les plus clairs) d'une image acquise.

Les chercheurs ont créé des pixels SPAD extrêmement petits et conçus pour une faible consommation d'énergie en utilisant un mécanisme de rétroaction qui éteint presque immédiatement l'avalanche d'électrons déclenchée par la détection de photons. Cela améliore les performances globales et la fiabilité des pixels. Ils ont également utilisé des techniques de mise en page améliorées pour emballer les capteurs SPAD plus étroitement, augmentant ainsi la densité de la zone de détection et permettant une caméra avec un million de pixels.

Les chercheurs ont ensuite appliqué des techniques sophistiquées de conception de circuits intégrés pour créer une distribution extrêmement uniforme de signaux électriques rapides sur le réseau de pixels à grande échelle. Ils ont montré que les vitesses d'obturation ne variaient que de 3% par rapport au million de pixels, démontrant que ce capteur pourrait être fabriqué en utilisant les techniques de production de masse disponibles.

Imagerie 3D haute vitesse

La vitesse de la caméra permet de mesurer très précisément le temps qu'un photon frappe le capteur. Cette information peut être utilisée pour calculer combien de temps il faut aux photons individuels pour parcourir la distance d'une source à la caméra, connu sous le nom de temps de vol. La combinaison des informations de temps de vol avec la capacité de capturer un million de pixels simultanément permet une reconstruction extrêmement rapide des images 3D.

Les chercheurs ont utilisé la nouvelle caméra pour déterminer le temps de vol des photons émis par une source laser et réfléchis par une cible. Ils ont également capturé des scènes complexes difficiles à mesurer pour d'autres techniques d'imagerie, tel qu'un objet vu à travers une fenêtre partiellement transparente, et ils ont utilisé l'appareil photo pour acquérir des images conventionnelles avec des plages dynamiques sans précédent. À l'avenir, ils prévoient d'améliorer encore les performances et la résolution temporelle de la caméra et de miniaturiser davantage les composants pour la rendre plus pratique pour une variété d'applications.