رونمایی از اولین حسگر تصویر اسپاد جهان با پردازش فوتون روی تراشه

بشرکت توسعه نیمه‌رسانای «Singular Photonics» مستقر در ادینبرو، یک حسگر تصویر جدید موسوم به لیتاویس (Litavis) را ابداع کرده که برای ترکیب شمارش فوتون، زمان‌بندی و تجزیه و تحلیل آماری مستقیماً روی یک تراشه واحد طراحی شده است.

این شرکت Litavis را به عنوان اولین «حسگر دیود بهمنی تک فوتونی» (SPAD) جهان با پردازش درون‌پیکسلی توصیف می‌کند که قادر به ترکیب تصویربرداری، زمان‌بندی، هیستوگرام کردن و آمار فوتون در همان دستگاه است.

حسگر Litavis به جای ارسال مقادیر زیادی از داده‌های خام فوتون به یک پردازنده خارجی، بخشی از تجزیه و تحلیل را داخل خود حسگر انجام می‌دهد.

شرکت «Singular Photonics» می‌گوید این می‌تواند الزامات انتقال داده را کاهش دهد و سیستم‌های تصویربرداری با تأخیر کمتر و مصرف انرژی کارآمدتر را فعال کند.

دوربینی که می‌تواند کاری بیش از اندازه‌گیری نور انجام دهد

SPAD‌ها برای تشخیص فوتون‌های منفرد طراحی شده‌اند که آنها را به‌ویژه در مواقعی که سطح نور بسیار کم یا اندازه‌گیری دقیق زمان‌های ورود فوتون مهم است، مفید می‌کند.

لیتاویس با قابلیت پیکربندی نرم‌افزاری حسگر، بر این حساسیت تکیه می‌کند. می‌توان همین سخت‌افزار را برای وظایف تصویربرداری مختلف، بدون نیاز به طراحی حسگر جدید، پیکربندی مجدد کرد.

حالت‌های عملیاتی آن شامل تصویربرداری شمارش فوتون، گیتینگ زمانی قابل برنامه‌ریزی، پیکربندی‌های چندگانه مبدل زمان به دیجیتال (TDC)، شمارش تک فوتون همبسته با زمان (TCSPC)، تشخیص همزمانی و ترکیب مهر زمانی و تصویربرداری است.

این امر به حسگر اجازه می‌دهد تا نه تنها میزان نور رسیده به هر پیکسل را ثبت کند، بلکه اطلاعاتی در مورد زمان رسیدن فوتون‌ها و نحوه توزیع این رویداد‌ها در طول زمان را نیز ثبت کند. این اطلاعات اضافی می‌تواند به کاربرد‌هایی که تصویربرداری مبتنی بر شدت مرسوم کافی نیست، کمک کند.

پردازش رویداد‌های فوتون روی تراشه

لیتاویس از معماری CMOS SPAD با پردازش فوتون دیجیتال که مستقیماً در آرایه پیکسل ادغام شده است، استفاده می‌کند. این حسگر تصویربرداری شمارش فوتون پیوسته ۲۵۶ × ۲۵۶ پیکسلی را در شرایط کم‌نور فراهم می‌کند.

در عین حال می‌تواند رویداد‌های فوتونی با مهر زمانی را در یک شبکه ماکروپیکسلی ۶۴ × ۶۴ تولید کند و زمان‌بندی با وضوح پیکوثانیه را در کنار تصویر شمارش فوتون با وضوح کامل ارائه دهد.

این دستگاه همچنین از زمان‌بندی چند رویدادی پشتیبانی می‌کند و به چندین فوتون شناسایی شده در طول یک چرخه تحریک اجازه می‌دهد تا به صورت جداگانه به سطل‌های زمانی اختصاص داده شوند.

سپس می‌توان از قابلیت‌های هیستوگرام درون‌پیکسلی آن برای تجزیه و تحلیل توزیع آماری آن رویداد‌های فوتونی استفاده کرد.

به گفته شرکت «Singular Photonics»، این امر امکاناتی فراتر از تصاویر دوربین‌های معمولی، از جمله اندازه‌گیری‌های مورد استفاده در تصویربرداری طول عمر فلورسانس، پراکندگی نور پویا و حسگری کوانتومی را فراهم می‌کند.

این رویکرد همچنین به یک مشکل عملی می‌پردازد که می‌تواند با جمع‌آوری داده‌های بیشتر توسط سیستم‌های تصویربرداری اهمیت پیدا کند. به جای انتقال هر رویداد فوتون شناسایی شده به پردازنده دیگر برای تجزیه و تحلیل، برخی از پردازش‌ها در داخل خود حسگر انجام می‌شود.

این شرکت می‌گوید که این تراشه می‌تواند میزان داده‌های خام مورد نیاز برای انتقال از طریق سیستم را کاهش دهد و به طور بالقوه تأخیر و راندمان انرژی را بهبود بخشد، در حالی که امکان پردازش در لحظه را به طور مؤثرتری فراهم می‌کند.

یک حسگر با چندین کاربرد

این شرکت، Litavis را به عنوان یک پلتفرم انعطاف‌پذیر به جای یک حسگر طراحی شده برای یک کاربرد خاص قرار می‌دهد. کاربرد‌های بالقوه شامل بینایی ماشینی، رباتیک، هوش مصنوعی فیزیکی، حسگری عمق، طیف‌سنجی، تصویربرداری علمی و پزشکی، فناوری‌های کوانتومی و اتوماسیون صنعتی است.

معماری قابل تنظیم نرم‌افزاری در نظر گرفته شده است تا به توسعه‌دهندگان و یکپارچه‌سازان سیستم اجازه دهد تا با استفاده از همان سخت‌افزار، حالت‌های مختلف اکتساب و زمان‌بندی را آزمایش کنند. این امر می‌تواند نیاز به توسعه معماری‌های حسگر جداگانه برای کاربرد‌های مختلف را کاهش داده و چرخه‌های توسعه را کوتاه‌تر کند.

شهیده ایمانی، مدیرعامل «Singular Photonics» می‌گوید: Litavis مزایای حساسیت فناوری SPAD را با سازگاری و مقیاس‌پذیری که به طور فزاینده‌ای مورد نیاز تصویربرداری چندوجهی مدرن است، ترکیب می‌کند.

این شرکت می‌گوید که در حال حاضر پیش‌سفارش‌های قابل توجهی از شرکت‌ها و موسسات بین‌المللی دریافت کرده است و قصد دارد Litavis را به زودی در نمایشگاه‌هایی در ادینبرو و اشتوتگارت به نمایش بگذارد و به توسعه‌دهندگان فرصتی برای دیدن قابلیت‌های چندوجهی این حسگر در عمل بدهد.

تراشه Litavis به جای اینکه حسگر تصویر را به عنوان دستگاهی در نظر بگیرد که به سادگی فوتون‌ها را ثبت می‌کند و تمام تفسیر را به یک رایانه واگذار می‌کند، تلاش می‌کند تا بخشی از این هوش را به خود حسگر منتقل کند.