Камере больше не нужно посылать каждый зарегистрированный фотон внешнему процессору. Сенсор Litavis, разработанный компанией Singular Photonics, считает фотоны, определяет время их прихода и строит временную статистику непосредственно в матрице. Это первый SPAD-сенсор, объединивший съёмку, точное измерение времени, построение гистограмм и фотонную статистику на одном кристалле.
SPAD (однофотонный лавинный диод) работает иначе, чем обычный датчик камеры. Традиционный CMOS-пиксель накапливает электрический заряд под действием света, затем электроника считывает значение. В SPAD один фотон может запустить лавинное умножение носителей заряда и сформировать отчётливый электрический импульс. Камера получает последовательность отдельных событий и измеряет не только количество света, но и момент прихода каждого фотона.
SPAD-сенсоры уже используются в системах измерения расстояния, лидарах, научных приборах и камерах для съёмки при слабом освещении. Разработчики Litavis переместили акцент с чувствительности на обработку данных: цифровая логика расположена прямо рядом с фотодетекторами и работает там же, где возникает сигнал.
Эта архитектура решает проблему, которая особенно заметна при работе с большими потоками фотонных событий. Если сенсор только фиксирует события, всю последовательность нужно вывести с матрицы и передать отдельной электронике для анализа. Обработка внутри кристалла сокращает объём сырых данных, снижает задержку и уменьшает нагрузку на внешние компоненты.
Litavis построен по трёхмерной многослойной схеме с обратной засветкой и содержит матрицу 256 × 256 SPAD-пикселей. Полное разрешение используется для подсчёта фотонов, а для точных временных измерений группы четыре на четыре детектора объединяются в 64 × 64 макропикселя. Временное разрешение составляет примерно 37 пикосекунд.
Эффективность регистрации фотонов достигает 47% на длине волны 785 нм, мёртвое время одного детектора составляет 4,3 наносекунды. Микролинзы обеспечивают 100-процентное заполнение чувствительной площади. Сам кристалл занимает 3,5 × 3,5 мм.
Litavis может обрабатывать несколько событий в одном измерительном цикле и распределять зарегистрированные фотоны по временным интервалам, строя гистограммы внутри пикселей. Эта статистика позволяет исследовать процессы, где одной яркости недостаточно: два участка изображения могут испускать одинаковое количество света, но отличаться временем появления или затухания сигнала.
Сенсор поддерживает программное переключение режимов: обычный и расширенный подсчёт фотонов, временные окна, поиск совпадающих событий, измерение временных меток и времякоррелированный подсчёт одиночных фотонов. Один кристалл можно перенастраивать под разные задачи.
Разработка выросла из исследований Университета Эдинбурга. Singular Photonics вышла из лаборатории профессора Роберта Хендерсона, который работал с CMOS-версиями SPAD-сенсоров с середины 2000-х. Датчики времени пролёта, созданные на основе подобных принципов, позднее появились в смартфонах для помощи автофокусу. Новое поколение переносит на сенсор не только регистрацию и измерение времени, но и более сложную обработку данных.
Litavis рассчитан не на обычную фотосъёмку, а на лидары, робототехнику, машинное зрение, флуоресцентную микроскопию, рамановскую спектроскопию, квантовую оптику и системы, работающие при очень слабом освещении. В подобных задачах важна не только картинка, но и информация о том, когда пришёл фотон и как меняется поток света во времени.
Singular Photonics получила предварительные заказы на сенсор от компаний и исследовательских организаций. Главная новизна Litavis не в способности увидеть одиночный фотон, подобные детекторы существуют давно. Разработка показывает следующий этап: пиксель перестаёт быть только точкой регистрации света и становится элементом вычислительной системы, способным обработать событие в месте его возникновения.
