用SPAD512S在(zai)3D成像中的應用

在(zai)從空間成像到生物(wu)醫學顯微鏡、安全、工(gong)業(ye)檢查(cha)和文化遺產等眾多領域，對快速、高分(fen)辨(bian)率和低噪聲(sheng)3D成像的(de)要(yao)求非常高。在(zai)這種情況(kuang)下，傳(chuan)統的(de)全光成像代表了(le)3D成像領域最有前景的(de)技術之(zhi)一，因(yin)為其超高的(de)時間分(fen)辨(bian)率：

3D成像(xiang)是在30M像(xiang)素分(fen)辨率下每秒7幀的(de)單次拍(pai)攝中實(shi)現(xian)的(de)，

對(dui)于(yu)1M像(xiang)(xiang)(xiang)素分辨率(lv)為每秒(miao)180幀；無多個傳感(gan)器，近場需要耗時的(de)(de)(de)(de)(de)掃描(miao)或干涉技術。然而常(chang)規全光(guang)(guang)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)導致分辨率(lv)損失，這(zhe)(zhe)通常(chang)是不(bu)可接受的(de)(de)(de)(de)(de)。我們打破這(zhe)(zhe)種限制的(de)(de)(de)(de)(de)策略(lve)包括將一(yi)(yi)(yi)個全新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)和基礎性的(de)(de)(de)(de)(de)采(cai)用上一(yi)(yi)(yi)代硬(ying)件(jian)和軟件(jian)解決(jue)方案。基本思想(xiang)是通過使用新(xin)型傳感(gan)器來利用存儲(chu)在(zai)(zai)(zai)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)關性中的(de)(de)(de)(de)(de)信息實(shi)現(xian)一(yi)(yi)(yi)項非(fei)常(chang)雄(xiong)心勃勃的(de)(de)(de)(de)(de)任務的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)協議：高速（10–100 fps）量(liang)子(zi)全光(guang)(guang)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)（QPI）具(ju)有超(chao)低噪聲和qian 所(suo)wei 有的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)分辨率(lv)和景(jing)深(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)組合。所(suo)開發的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)技術旨在(zai)(zai)(zai)：在(zai)(zai)(zai)成(cheng)(cheng)為第(di)一(yi)(yi)(yi)個實(shi)際(ji)可用和適當的(de)(de)(de)(de)(de)“量(liang)子(zi)"成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)技術超(chao)出了(le)經(jing)典成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)模(mo)式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)有限制。除(chu)了(le)基礎感(gan)興趣的(de)(de)(de)(de)(de)是，該技術的(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)特性允許在(zai)(zai)(zai)3D上提取(qu)信息來自極低光(guang)(guang)子(zi)通量(liang)下的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)相(xiang)關性的(de)(de)(de)(de)(de)圖像(xiang)(xiang)(xiang)，從而減少場景(jing)暴露于(yu)光(guang)(guang)照。對(dui)QPI的(de)(de)(de)(de)(de)興趣是由潛在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)于(yu)其(qi)他已建立的(de)(de)(de)(de)(de)3D成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)技術的(de)(de)(de)(de)(de)優點。實(shi)際(ji)上，其(qi)他與QPI不(bu)同，方法需要精細的(de)(de)(de)(de)(de)干涉測量(liang)，如數字測量(liang)全息顯(xian)微鏡或相(xiang)位恢復算法，如傅里葉全息圖，或快(kuai)速脈(mo)沖照明(ming)，如飛行時間（TOF）成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)。此(ci)外，QPI提供了(le)無掃描(miao)顯(xian)微鏡模(mo)式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎，克服了(le)共聚(ju)焦方法。

量子全光相機有望提供全光成像的優勢，主要是超快和免掃描的 3D 成像和重聚焦能 力，其性能是經典相機無法企及的。zui 先 jin的(de)全光成像設備(bei)能夠在(zai)(zai)單次拍攝中(zhong)獲(huo)取(qu)(qu)多(duo)視角 圖像.它們(men)的(de)工作(zuo)原(yuan)理是基于(yu)對給(gei)定場景(jing)中(zhong)光的(de)空間分布和(he)傳播(bo)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)同時測量。獲(huo)取(qu)(qu) 的(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)信息(xi)轉化(hua)為(wei)快速 3D 成像所需(xu)的(de)重聚(ju)焦(jiao)能力(li)、可增加的(de)景(jing)深(shen)(DOF)和(he)多(duo)視角 2D 圖像的(de) 并行獲(huo)取(qu)(qu)。 在(zai)(zai)zui 先 jin的(de)全光照相(xiang)機中(zhong)，方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)檢測是通過在(zai)(zai)標(biao)準數碼相(xiang)機的(de)主鏡(jing)頭(tou)和(he)傳感器(qi)之間插 入微透鏡(jing)陣(zhen)列來(lai)實現(xian)(xian)的(de)。傳感器(qi)獲(huo)取(qu)(qu)復合信息(xi)，該復合信息(xi)允許識別(bie)檢測到(dao)的(de)光來(lai)自 的(de)物點和(he)透鏡(jing)點。然而，由(you)于(yu)結(jie)構(使用微透鏡(jing)陣(zhen)列)和(he)基本(高斯極(ji)限)原(yuan)因，圖像分辨率與(yu)獲(huo) 得的(de)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)信息(xi)成反比地降低(di)；因此，在(zai)(zai)基于(yu)簡單強度測量的(de)設備(bei)中(zhong)，在(zai)(zai)衍射(she)極(ji)限下的(de)全光成像 被認為(wei)是無法實現(xian)(xian)的(de)。

圖(a)傳統全光成像(xiang)(PI)設備的方案:物體的(de)(de)圖像(xiang)(xiang)聚焦(jiao)在微(wei)透鏡(jing)陣列上(shang)(shang)，而每個微(wei)透鏡(jing)將主透鏡(jing) 的(de)(de)圖像(xiang)(xiang)聚焦(jiao)在后面的(de)(de)像(xiang)(xiang)素上(shang)(shang)。這種(zhong)配(pei)置需要與(yu)方向(xiang)分辨率的(de)(de)增益成(cheng)比例的(de)(de)空間分辨率的(de)(de)損失(shi)；(b)顯 示了相(xiang)關全光成像(CPI)設置的(de)(de)方案，其中方向(xiang)信(xin)息是通(tong)過將物(wu)體聚焦的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)檢索到的(de)(de)信(xin)號(hao)與(yu)收集(ji) 光源圖像(xiang)的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)相(xiang)關聯而獲得的(de)(de)。

為了實現全光成像，我們正在尋求一個超高性能的探測器，一個相關部分是通過用基于jian 端技術的傳感器(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 cmos 和 emccd 相機)來確定的。SPAD 基本上是一個光電二極管，其反向偏置電壓高于其擊穿電壓，因此撞擊其光敏區域的單個 光子可以產生電子-空穴對，從而觸發次級載流子的雪崩，并在非常短的時間尺度(皮秒) 內產生大電流。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并直 接轉換成數字信號，進一步處理以存儲光子到達和/或光子到達時間的二進制信息。從本 質上來說，SPAD 可以被看作是一個具有精密時間精度的光子-數字轉換裝置。SPADs 也可以 選通，以便只在短至幾納秒的時間窗口內敏感。如今，單個 SPAD 可以用作大 型陣列的構建模塊，每個像素電路都包含 SPAD 和即時光子處理邏輯和互連。有幾種 CMOS 工藝可供選擇，可以定制關鍵 SPAD 性能指標和整體傳感器或成像器架構.靈敏度和 填充因子有一段時間落后于科學 CMOS 或 EMccd，但近年來已大幅趕上。 根據 QPI 的要求，我們選擇使用由 EPFL AQUA laboratory group 開發的 SwisSPAD2 陣 列，其特點是 512×512 像素分辨率，這是迄今為止zui 廣泛、zui 先(xian) jin的 SPAD 陣列 之一。傳感器內部由 256×512 像素的兩半組成，以減少信號線上的負載和偏斜，實 現更快的操作。這是一個純粹的二進制門控成像器，即每個像素為每幀記錄 0(無光子)或 1(一個或多個光子)，讀出噪聲基本為零。傳感器由 FPGA 控制，FPGA 產生門控電路和讀出 序列的控制信號，并收集像素檢測結果。在 FPGA 中，在發送到計算機/GPU 進行分析和存 儲之前，可以進一步處理得到的一位圖像，例如，累積成多位圖像。對于準直光，通過微 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 (優化后的 模擬預計會有更高的值)；在 520 納米(700 納米)和 6.5 伏過量偏壓下，光子探測概率為 50% (25%)。該器件還具有低噪聲(室溫下每像素平均暗計數率通常低于 100 cps，中值約 低 10 倍)和先進的納秒門控電路。

SwissSPAD2 門窗口輪廓。圖中標注了(le)轉換(huan)時(shi)間(jian)和柵(zha)極寬度(du)(du)。柵(zha)極寬度(du)(du)可由用戶(hu)編程，內部激 光觸發模(mo)式下(xia)的最小柵(zha)極寬度(du)(du)為 10.8 ns。

wissSPAD2 顯微(wei)照(zhao)片(左)和像(xiang)素(su)示意圖(右)。像(xiang)素(su)由 11 個 NMOS 晶體(ti)管(guan)組成，7 個具有厚氧(yang)化(hua)(hua) 物，4 個具有薄(bo)氧(yang)化(hua)(hua)物柵極。像(xiang)素(su)在其存儲(chu)電(dian)容(rong)器中(zhong)存儲(chu)二進制光子計數。像(xiang)素(su)內門定義了相對于 20 MHz 外(wai)部(bu)觸(chu)發信(xin)號的(de)時間窗口(kou)，其中(zhong)像(xiang)素(su)對光子敏感。

全全光(guang)相(xiang)(xiang)機(ji)是(shi)一種(zhong)全新(xin)的 3D 成像(xiang)設備，利(li)用 動量(liang)(liang)-位置糾纏和(he)(he)光(guang)子(zi)數(shu)相(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)來提(ti)(ti)供(gong)全光(guang)設備典(dian)型的重新(xin)聚(ju)(ju)焦(jiao)和(he)(he)超(chao)快(kuai)速、免掃(sao)描的 3D 成像(xiang)能力(li)，以及標(biao) 準全光(guang)相(xiang)(xiang)機(ji)無(wu)法(fa)(fa)實現的顯著增強的性(xing)能:衍射極限分辨率、大(da)焦(jiao)深(shen)和(he)(he)超(chao)低噪聲；然而，為(wei)了使所 提(ti)(ti)出的器(qi)件的量(liang)(liang)子(zi)優勢有(you)效并吸引(yin)最終用戶，需要(yao)解決兩(liang)個主要(yao)挑戰(zhan)。首先(xian)，由于相(xiang)(xiang)關(guan)測量(liang)(liang)需要(yao)大(da)量(liang)(liang)的幀 來提(ti)(ti)供(gong)可(ke)(ke)接受(shou)的信(xin)噪比，如果用商業上可(ke)(ke)獲(huo)得(de)的高(gao)分辨率相(xiang)(xiang)機(ji)來實現，量(liang)(liang)子(zi)全光(guang)成像(xiang)(QPI)將(jiang)需要(yao)幾十(shi)秒(miao) 到幾分鐘的采集(ji)時(shi)間(jian)。第二(er)，為(wei)了檢索 3D 圖(tu)像(xiang)或重新(xin)聚(ju)(ju)焦(jiao) 2D 圖(tu)像(xiang)，對(dui)這(zhe)大(da)量(liang)(liang)數(shu)據的加工需要(yao)高(gao)性(xing)能和(he)(he)耗 時(shi)的計算。為(wei)了應對(dui)這(zhe)些(xie)挑戰(zhan)，我們正在開發(fa)高(gao)分辨率單(dan)光(guang)子(zi)雪崩光(guang)電二(er)極管(SPAD)陣列和(he)(he)超(chao)快(kuai)速電子(zi)設 備的高(gao)性(xing)能低級編程，結合(he)壓縮(suo)傳(chuan)感(gan)和(he)(he)量(liang)(liang)子(zi)層析(xi)成像(xiang)算法(fa)(fa)，旨在將(jiang)采集(ji)和(he)(he)加工時(shi)間(jian)減少兩(liang)個數(shu)量(liang)(liang)級。還將(jiang) 討(tao)論開發(fa) QPI 設備的途(tu)徑。

下面我將介紹下我們昊量光電所有一款SPAD512S相機，對全(quan)光成像具(ju)有很大的(de)幫助。

我們的相機相對其他產(chan)品(pin)具有如下(xia)優點：

1. 相機具有很高的填(tian)充因子(zi)，并(bing)且還帶有微透(tou)鏡。

2. 暗(an)噪(zao)聲非常小

3. 成像速度快

4. 面陣(zhen)像(xiang)素大，分辨率高

對于定制設備像(xiang)素，我(wo)們(men)wan 全 符合(he)您的需求 - 我(wo)們(men)喜歡挑戰！為此，我(wo)們(men)與業內一些(xie)zui 優 秀的供應(ying)商(shang)密(mi)切合(he)作歡迎大家聯 系我(wo)們(men)。

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