MegaX：第一台捕捉最小的光粒子的相机

EPFL科学家与佳能（Canon）合作开发了一种能够以破纪录的速度和分辨率拍摄3D图像的相机。

EPFL教授，EPFL工程学院高级量子建筑实验室负责人Edoardo Charbon说：“这是我很久以来一直梦想的事情。”“ MegaX是对单光子雪崩二极管（SPAD）进行15多年研究的结晶，SPAD是下一代图像传感器技术中使用的光电探测器。”Charbon有充分的理由感到自豪，因为他和他的研究团队开发了世界上第一台百万像素相机。他们的发现刚刚在Optica中发表。

流星

他们的相机与众不同的是，它可以捕获和计数最小形式​​的光粒子：光子。光子是人眼看不见的；我们只能看到连续的光子束，就像激光笔中使用的那样。但是MegaX可以在光线中拍摄单个光子的轨迹。当以视频形式显示时，它们看起来像流星。Charbon说：“我们必须将胶卷速度减慢3亿倍，才能看到单个光子移动。”

但是还有更多。MegaX速度极快，每秒最多可以处理24,000张图像。相比之下，电影以每秒24张图像的速度拍摄。MegaX还具有其他三个重要优点：它具有很大的动态范围，可以生成3D表示，并且可以同时对这些表示进行深度分割。Charbon说：“由于其高分辨率和先进的检测功能，MegaX可以用于包含虚拟现实和增强现实的应用程序中。”

重建3D影像

那么相机到底是如何工作的呢？Charbon说：“它捕获了单个光子，并将它们转换为电信号，并存储在数字存储系统中。”捕获光子的过程仅需一纳秒，即110-9×秒。相机还可以准确检测光子何时击中传感器，并测量光子在发出它的物体和相机之间传播所花费的时间，从而计算出该距离。“那个时间叫做飞行时间，” Charbon解释道。“能够计算并同时捕获一百万个像素的功能使相机能够非常快速地生成3D图像。”

光明与黑暗

当我们查看示例图像时（从办公室拍摄的图像），我们可以看到效果惊人。使用标准相机时，图片中的非常亮和非常暗的区域会饱和-我们的眼睛只能看到黑白。但是使用MegaX，我们可以很好地看到明暗物体。Charbon说：“ MegaX使您可以大幅增加动态范围，远远超出了高清摄像机所能达到的范围。”

那么，我们很快就能出去购买MegaX吗？“目前还没有，”夏邦说。主要障碍是像素大小。普通摄像机的像素大小为0.9µ m，但MegaX中的像素大小是9 m，是其十倍大µ。 “我们的团队已经在开发像素尺寸为2.2 m的µ下一代MegaX”。“我们的目标不一定是使MegaX像传统相机一样工作，而是要创建4D相机”（这是三个标准尺寸加上时间），“为了获得更高的分辨率，请使用尽可能多的像素。”

在MegaX相机上阅读具有记录速度和分辨率的新型光子计数相机以进行3D图像捕获。

参考：森本和宏，Andrei Ardelean，Ming-Lo Wu，Arin Can Ulku，Ivan Michel Antolovic，Claudio Bruschini和Edoardo Charbon撰写的“用于2D和3D成像应用的百万像素时控SPAD图像传感器”，Optica.DOI：2020年4月16日。
10.1364 / OPTICA.386574

资金：瑞士国家科学基金会（Grant＃：166289）等佳能公司