在從空間成像到生物醫學顯微鏡、安全、工業檢查和文化遺產等眾多領域，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，傳統的全光成像代表了3D成像領域最有前景的技術之一，因為其超高的時間分辨率：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，對于1M像素分辨率為每秒180幀；無多個傳感器，近場需要耗時的掃描或干涉技術。然而常規全光成像導致分辨率損失，這通常是不可接受的。

我們打破這種限制的策略包括將一個全新的和基礎性的采用上一代硬件和軟件解決方案。基本思想是通過使用新型傳感器來利用存儲在光的相關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）具有超低噪聲和前所未有的性能分辨率和景深的組合。所開發的成像技術旨在：在成為第一個實際可用和適當的“量子”成像技術超出了經典成像模式的固有限制。

除了基礎感興趣的是，該技術的量子特性允許在3D上提取信息來自極低光子通量下的光相關性的圖像，從而減少場景暴露于光照。對QPI的興趣是由潛在的相對于其他已建立的3D成像技術的優點。實際上，其他與QPI不同，方法需要精細的干涉測量，如數字測量全息顯微鏡或相位恢復算法，如傅里葉全息圖或快速脈沖照明，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。最先進的全光成像設備能夠在單次拍攝中獲取多視角圖像.它們的工作原理是基于對給定場景中光的空間分布和傳播方向的同時測量。獲取的方向信息轉化為快速 3D 成像所需的重聚焦能力、可增加的景深(DOF)和多視角 2D 圖像的并行獲取。

在最先進的全光照相機中，方向檢測是通過在標準數碼相機的主鏡頭和傳感器之間插 入微透鏡陣列來實現的。傳感器獲取復合信息，該復合信息允許識別檢測到的光來自 的物點和透鏡點。然而，由于結構(使用微透鏡陣列)和基本(高斯極限)原因，圖像分辨率與獲 得的方向信息成反比地降低；因此，在基于簡單強度測量的設備中，在衍射極限下的全光成像 被認為是無法實現的。

圖(a)傳統全光成像(PI)設備的方案:物體的圖像聚焦在微透鏡陣列上，而每個微透鏡將主透鏡 的圖像聚焦在后面的像素上。這種配置需要與方向分辨率的增益成比例的空間分辨率的損失；(b)顯示了相關全光成像(CPI)設置的方案，其中方向信息是通過將物體聚焦的傳感器檢索到的信號與收集 光源圖像的傳感器相關聯而獲得的。

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尖端技術的傳感器(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，這是迄今為止最廣泛、最先進的 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。圖中標注了轉換時間和柵極寬度。柵極寬度可由用戶編程，內部激光觸發模式下的最小柵極寬度為 10.8 ns。

SwissSPAD2 顯微照片(左)和像素示意圖(右)。像素由 11 個 NMOS 晶體管組成，7 個具有厚氧化 物，4 個具有薄氧化物柵極。像素在其存儲電容器中存儲二進制光子計數。像素內門定義了相對于 20 MHz 外部觸發信號的時間窗口，其中像素對光子敏感。

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:衍射極限分辨率、大焦深和超低噪聲；然而，為了使所提出的器件的量子優勢有效并吸引最終用戶，需要解決兩個主要挑戰。

首先，由于相關測量需要大量的幀 來提供可接受的信噪比，如果用商業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鐘的采集時間。第二，為了檢索 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。為了應對這些挑戰，我們正在開發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低級編程，結合壓縮傳感和量子層析成像算法，旨在將采集和加工時間減少兩個數量級。還將討論開發 QPI 設備的途徑。

如下為昊量光電SPAD512S相機參數，看后你將對全光成像有新的了解及認識。