全光相機實現顯著增強的性能:衍射極限分辨率、大焦深和超低噪聲量子；全光成像(QPI)；高分辨率單光子雪崩光電二極管(SPAD)陣列和超快速電子設 備的高性能編程，結合壓縮傳(chuan) 感和量子層析成像算法，旨在將采集和加工時間減少兩(liang) 個(ge) 數量級。還將 討論開發 QPI 設備的途徑。
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在從(cong) 空間成像到生物醫學顯微鏡、安全、工業(ye) 檢查和文化遺產(chan) 等眾(zhong) 多領域，對快速、高分辨率和低噪聲3D成像的要求非常高。在這種情況下，傳(chuan) 統的全光成像代表了3D成像領域較有前景的技術之一，因為(wei) 其較高的時間分辨率：
3D成像是在30M像素分辨率下每秒7幀的單次拍攝中實現的，
對於(yu) 1M像素分辨率為(wei) 每秒180幀；無多個(ge) 傳(chuan) 感器，近場需要耗時的掃描或幹涉技術。然而常規全光成像導致分辨率損失，這通常是不可接受的。我們(men) 打破這種限製的策略包括將一個(ge) 全新的和基礎性的采用上一代硬件和軟件解決(jue) 方案。基本思想是通過使用新型傳(chuan) 感器來利用存儲(chu) 在光的相關(guan) 性中的信息實現一項非常雄心勃勃的任務的測量協議：高速（10–100 fps）量子全光成像（QPI）具有較低噪聲和較佳的性能分辨率和景深的組合。所開發的成像技術旨在：在成為(wei) 第①個(ge) 實際可用和適當的“量子”成像技術超出了經典成像模式的固有限製。除了基礎感興(xing) 趣的是，該技術的量子特性允許在3D上提取信息來自J低光子通量下的光相關(guan) 性的圖像，從(cong) 而減少場景暴露於(yu) 光照。對QPI的興(xing) 趣是由潛在的相對於(yu) 其他已建立的3D成像技術的優(you) 點。實際上，其他與(yu) QPI不同，方法需要精細的幹涉測量，如數字測量全息顯微鏡或相位恢複算法，如傅裏葉全息圖，或快速脈衝(chong) 照明，如飛行時間（TOF）成像。此外，QPI提供了無掃描顯微鏡模式的基礎，克服了共聚焦方法。
量子全光相機有望提供全光成像的優(you) 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。全光成像設備能夠在單次拍攝中獲取多視角 圖像.它們(men) 的工作原理是基於(yu) 對給定場景中光的空間分布和傳(chuan) 播方向的同時測量。獲取 的方向信息轉化為(wei) 快速 3D 成像所需的重聚焦能力、可增加的景深(DOF)和多視角 2D 圖像的 並行獲取。 在全光照相機中，方向檢測是通過在標準數碼相機的主鏡頭和傳(chuan) 感器之間插 入微透鏡陣列來實現的。傳(chuan) 感器獲取複合信息，該複合信息允許識別檢測到的光來自 的物點和透鏡點。然而，由於(yu) 結構(使用微透鏡陣列)和基本(高斯J限)原因，圖像分辨率與(yu) 獲 得的方向信息成反比地降低；因此，在基於(yu) 簡單強度測量的設備中，在衍射J限下的全光成像 被認為(wei) 是無法實現的。
圖(a)傳(chuan) 統全光成像(PI)設備的方案:物體(ti) 的圖像聚焦在微透鏡陣列上，而每個(ge) 微透鏡將主透鏡 的圖像聚焦在後麵的像素上。這種配置需要與(yu) 方向分辨率的增益成比例的空間分辨率的損失；(b)顯 示了相關(guan) 全光成像(CPI)設置的方案，其中方向信息是通過將物體(ti) 聚焦的傳(chuan) 感器檢索到的信號與(yu) 收集 光源圖像的傳(chuan) 感器相關(guan) 聯而獲得的。
為(wei) 了實現全光成像，我們(men) 正在尋求一個(ge) 高性能的探測器，一個(ge) 相關(guan) 部分是通過用基於(yu) 尖端技術的傳(chuan) 感器(如單光子雪崩 二J管(SPAD)陣列)取代商用高分辨率傳(chuan) 感器(如科學 cmos 和 emccd 相機)來確定的。SPAD 基本上是一個(ge) 光電二J管，其反向偏置電壓高於(yu) 其擊穿電壓，因此撞擊其光敏區域的單個(ge) 光子可以產(chan) 生電子-空穴對，從(cong) 而觸發次級載流子的雪崩，並在非常短的時間尺度(皮秒) 內(nei) 產(chan) 生大電流。這種操作方式被稱為(wei) 蓋革模式。SPAD 輸出電壓由電子電路感測並直 接轉換成數字信號，進一步處理以存儲(chu) 光子到達和/或光子到達時間的二進製信息。從(cong) 本 質上來說，SPAD 可以被看作是一個(ge) 具有精密時間精度的光子-數字轉換裝置。SPADs 也可以 選通，以便隻在短至幾納秒的時間窗口內(nei) 敏感。如今，單個(ge) SPAD 可以用作大 型陣列的構建模塊，每個(ge) 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，可以定製關(guan) 鍵 SPAD 性能指標和整體(ti) 傳(chuan) 感器或成像器架構.靈敏度和 填充因子有一段時間落後於(yu) 科學 CMOS 或 EMccd，但近年來已大幅趕上。 根據 QPI 的要求，我們(men) 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，這是較廣泛的 SPAD 陣列 之一。傳(chuan) 感器內(nei) 部由 256×512 像素的兩(liang) 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(ge) 純粹的二進製門控成像器，即每個(ge) 像素為(wei) 每幀記錄 0(無光子)或 1(一個(ge) 或多個(ge) 光子)，讀出噪聲基本為(wei) 零。傳(chuan) 感器由 FPGA 控製，FPGA 產(chan) 生門控電路和讀出 序列的控製信號，並收集像素檢測結果。在 FPGA 中，在發送到計算機/GPU 進行分析和存 儲(chu) 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。對於(yu) 準直光，通過微 透鏡陣列，Z大幀速率為(wei) 97.7 kfps，10.5%的自然填充因子可以提高 4-5 倍 (優(you) 化後的 模擬預計會(hui) 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(wei) 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於(yu) 100 cps，中值約 低 10 倍)和納秒門控電路。
SwissSPAD2 門窗口輪廓。圖中標注了轉換時間和柵J寬度。柵J寬度可由用戶編程，內(nei) 部激 光觸發模式下的Z小柵J寬度為(wei) 10.8 ns。
SwissSPAD2 顯微照片(左)和像素示意圖(右)。像素由 11 個(ge) NMOS 晶體(ti) 管組成，7 個(ge) 具有厚氧化 物，4 個(ge) 具有薄氧化物柵極。像素在其存儲(chu) 電容器中存儲(chu) 二進製光子計數。像素內(nei) 門定義(yi) 了相對於(yu) 20 MHz 外部觸發信號的時間窗口，其中像素對光子敏感。
全全光相機是一種全新的 3D 成像設備，利用 動量-位置糾纏和光子數相關(guan) 性來提供全光設備典型的重新聚焦和超快速、免掃描的 3D 成像能力，以及標 準全光相機無法實現的顯著增強的性能:衍射J限分辨率、大焦深和超低噪聲；然而，為(wei) 了使所 提出的器件的量子優(you) 勢有效並吸引Z終用戶，需要解決(jue) 兩(liang) 個(ge) 主要挑戰。首先，由於(yu) 相關(guan) 測量需要大量的幀 來提供可接受的信噪比，如果用商業(ye) 上可獲得的高分辨率相機來實現，量子全光成像(QPI)將需要幾十秒 到幾分鍾的采集時間。第②，為(wei) 了檢索 3D 圖像或重新聚焦 2D 圖像，對這大量數據的加工需要高性能和耗 時的計算。為(wei) 了應對這些挑戰，我們(men) 正在開發高分辨率單光子雪崩光電二J管(SPAD)陣列和超快速電子設 備的高性能低級編程，結合壓縮傳(chuan) 感和量子層析成像算法，旨在將采集和加工時間減少兩(liang) 個(ge) 數量級。還將 討論開發 QPI 設備的途徑。
下麵我將介紹下我們(men) 昊量光電所有一款SPAD512S相機，對全光成像具有很大的幫助。
我們(men) 的相機相對其他国产欧美在线具有如下優(you) 點：
1. 相機具有很高的填充因子，並且還帶有微透鏡。
2. 暗噪聲非常小
3. 成像速度快
4. 麵陣像素大，分辨率高
相關(guan) 文獻：
https://doi.org/10.3390/app11146414
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