Створена камера, що забезпечує захоплення 3D-зображень з рекордною швидкістю

Дослідники з Швейцарського федерального політехнічного університету Лозанни (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) створили першу в своєму роді мегапіксельну камеру, матриця якої побудована на базі детекторів одиничних фотонів на основі лавинних діодів (single-photon avalanche diodes, SPAD). Матриця цієї камери здатна реєструвати одиничні фотони з безпрецедентною швидкістю, що використовується для високошвидкісного захоплення 3D-зображень. За рахунок цього камера є ідеальним варіантом для побудови систем доповненої реальності, систем лазерних сканерів LiDAR і т.п.

Нова камера може захоплювати тривимірні зображення зі швидкістю до 24 тисяч кадрів в секунду, для порівняння, швидкість запису стандартного відео для кіно і телебачення становить від 24 до 30 кадрів в секунду. Крім цього, вченим вдалося зробити найменший SPAD-піксель за рахунок деяких хитрощів, знизивши кількість споживаної ним енергії до 1 мікровата.

Відзначимо, що створення нової камери є результатом 15-річної роботи фахівців лабораторії AQUALab, які пройшли довгий шлях від створення перших SPAD-детекторів, які мали дуже посередні характеристики, до сучасних детекторів, що мають дуже малі розміри і здатні реєструвати одиничні фотони зі швидкістю до 150 мільйонів фотонів в секунду. Така висока швидкість “роботи затвора камери” дозволяє збільшити її динамічний діапазон і захоплювати за її допомогою дуже швидкі рухи.

Мінімальний розмір одного пікселя нової камери і приголомшлива швидкість її роботи стали можливими завдяки впровадженню механізму зворотного зв’язку, який практично моментально пригнічує лавину електронів, викликаних падінням фотона на датчик. А велика щільність пікселів на матриці камери була отримана за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, яке в напівавтоматичному режимі дозволило знайти найоптимальніший метод розташування пікселів на поверхні матриці і провідників, по яких передаються сигнали від цих пікселів. Крім цього, вчені продемонстрували, що параметри окремих пікселів матриці, виготовленої за допомогою самих звичайних виробничих технологій, розрізняються не більше, ніж на 3 відсотки, що є цілком задовільною величиною.

Швейцарські дослідники вже використовували нову камеру для того, щоб виміряти час польоту фотонів, що випромінюють лазером. Більш того, дуже широкий динамічний діапазон нової камери дозволив провести зйомку в умовах, коли інші методи просто не працюють, наприклад, зйомку досить віддалених об’єктів через частково прозоре вікно.


У майбутньому дослідники збираються збільшити роздільну здатність камери, її здатність вимірювання часу реєстрації фотонів, зменшити розмір деяких компонентів так, щоб використання цієї камери стало практичним в різних галузях. Джерело