Fotocamera che rileva singoli fotoni di luce

I ricercatori hanno sviluppato la prima fotocamera per il conteggio dei fotoni da megapixel basata sulla tecnologia dei sensori di immagine di nuova generazione che utilizza diodi a valanga a singolo fotone (SPAD).

La nuova fotocamera è in grado di rilevare singoli fotoni di luce a velocità senza precedenti, una capacità che potrebbe far avanzare le applicazioni che richiedono l'acquisizione rapida di immagini 3D come la realtà aumentata e sistemi LiDAR per veicoli autonomi.

Il dottor Edoardo Charbon, (1) del Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab) presso l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), in Svizzera, ha sviluppato l'idea per la nuova fotocamera ed è il fondatore e capo di AQUALab, dove è stato progettato il sensore di immagine. Egli dice: «Grazie all'elevata risoluzione e alla capacità di misurare la profondità, questa nuova fotocamera potrebbe rendere la realtà virtuale più realistica e consentire di interagire con le informazioni sulla realtà aumentata in modo più fluido.»

In Optica, la rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori descrivono (2) come hanno creato uno dei pixel SPAD più piccoli mai ideati e hanno ridotto il consumo di energia di ciascun pixel a meno di 1 microwatt mantenendo la velocità e la precisione dei tempi. La nuova fotocamera può acquisire immagini fino a 24.000 fotogrammi al secondo. Per confronto, 30 frame al secondo è il numero standard utilizzata per registrare video per la televisione.

«Per le applicazioni di trasporto, questa nuova fotocamera potrebbe aiutare a raggiungere livelli senza precedenti di autonomia e sicurezza consentendo l'utilizzo di più dispositivi LiDAR a bassa potenza su un veicolo, fornendo una vista 3D veloce e ad alta risoluzione dei dintorni», ha detto il primo autore, Kazuhiro Morimoto (3) di Canon Inc. in Giappone. «In un futuro un po' più distante, la comunicazione quantistica, il rilevamento e l'informatica potrebbero trarre vantaggio dalle telecamere per il conteggio dei fotoni con risoluzione multi-megapixel.»

Un nuovo tipo di sensore

In meno di 20 anni, i sensori SPAD sono passati da una novità alle versioni standard nella maggior parte delle fotocamere per smartphone e in molti dispositivi domestici. Il successo di questa tecnologia deriva dal fatto che i sensori SPAD sono estremamente efficienti nel rilevare singoli fotoni e convertirli in segnali elettrici che sono memorizzati in una memoria digitale. Una fotocamera di grande formato può essere creata costruendo una matrice di pixel che contengono ciascuno uno SPAD.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno attinto a 15 anni di ricerche SPAD presso l'Advanced Quantum Architecture Laboratory (AQUALab), ubicato all'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) (4) per creare una fotocamera estremamente veloce e ad alta risoluzione che sfrutta la tecnologia SPAD per l'imaging avanzato. La nuova fotocamera rileva singoli fotoni e li converte in segnali elettrici a una velocità di registrazione di circa 150 milioni di volte al secondo. Ogni sensore SPAD può essere controllato con precisione per consentire alla luce di entrare in appena 3,8 nanosecondi, circa quattro miliardesimi di secondo. Questa rapida "velocità dell'otturatore" può catturare movimenti estremamente rapidi o essere utilizzata per aumentare la gamma dinamica - la differenza tra i toni più scuri e più chiari - di un'immagine acquisita.

I ricercatori hanno creato pixel SPAD estremamente piccoli e progettati per un basso consumo energetico utilizzando un meccanismo di feedback che quasi immediatamente elimina la valanga di elettroni innescata dal rilevamento di fotoni. Ciò migliora le prestazioni complessive e l'affidabilità dei pixel. Hanno anche utilizzato tecniche di layout avanzate per rendere più stretti i sensori SPAD, aumentando così la densità dell'area di rilevamento e consentendo una fotocamera con un milione di pixel.

I ricercatori hanno quindi applicato sofisticate tecniche di progettazione di circuiti integrati per creare una distribuzione estremamente uniforme di segnali elettrici veloci sull'array di pixel su larga scala. Hanno dimostrato che la velocità dell'otturatore variava solo del 3% rispetto ai milioni di pixel, dimostrando che questo sensore poteva essere realizzato con le tecniche di produzione di massa disponibili.

Imaging 3D ad alta velocità

La velocità della fotocamera consente di misurare con precisione il tempo in cui un fotone colpisce il sensore. Queste informazioni possono essere utilizzate per calcolare quanto tempo impiegano i singoli fotoni a percorrere la distanza da una sorgente alla telecamera, nota come tempo di volo. La combinazione delle informazioni sul tempo di volo con la capacità di catturare contemporaneamente un milione di pixel consente la ricostruzione ad altissima velocità di immagini 3D.

I ricercatori hanno utilizzato la nuova fotocamera per determinare il tempo di volo dei fotoni emessi da una sorgente laser e riflessi da un bersaglio. Hanno anche catturato scene complesse che sono difficili da misurare per altre tecniche di imaging, come un oggetto visto attraverso una finestra parzialmente trasparente, e hanno usato la fotocamera per acquisire immagini convenzionali con gamme dinamiche senza precedenti. In futuro hanno in programma di migliorare ulteriormente le prestazioni e la risoluzione dei tempi della fotocamera e di miniaturizzare ulteriormente i componenti per renderlo più pratico per una varietà di applicazioni.

Optica è una rivista ad accesso aperto dedicata alla rapida diffusione di ricerche peer-reviewed ad alto impatto su tutto lo spettro dell'ottica e della fotonica. Pubblicata mensilmente da The Optical Society (OSA), Optica offre un forum per la ricerca pioneristica a cui la comunità internazionale può accedere rapidamente, sia che la ricerca sia teorica o sperimentale, fondamentale o applicata. Optica mantiene un illustre comitato editoriale di oltre 60 redattori associati da tutto il mondo ed è supervisionato dal direttore generale Prem Kumar, Northwestern University, USA.

Fondata nel 1916, The Optical Society (OSA) è la principale organizzazione professionale per scienziati, ingegneri, studenti e imprenditori che alimentano le scoperte, modellano le applicazioni della vita reale e accelerano i risultati nella scienza della luce. Attraverso pubblicazioni, incontri e iniziative associative di fama mondiale, OSA fornisce ricerca di qualità, interazioni ispirate e risorse dedicate per la sua vasta rete globale di esperti di ottica e fotonica. (5)

Riferimenti:

(1) Edoardo Charbon

(2) Megapixel time-gated SPAD image sensor for 2D and 3D imaging applications

(3) Kazuhiro Morimoto

(4) École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)

(5) The Optical Society

Descrizione foto: I ricercatori hanno sviluppato la prima fotocamera per il conteggio dei fotoni da megapixel basata su sensori di immagine a diodo a valanga a singolo fotone (SPAD). La nuova fotocamera può catturare immagini in condizioni di scarsa luminosità a velocità senza precedenti. - Credit: Arianna M. Charbon, Kazuhiro Morimoto, Edoardo Charbon.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Photon-Counting Camera Captures 3D Images with Record Speed and Resolution