شركة بريطانية تطلق أول مستشعر للصور يعمل بتقنية الصمام الثنائي الضوئي الانهياري أحادي الفوتون مع معالجة الفوتونات داخل الشريحة

أطلقت شركة Singular Photonics، التي تتخذ من إدنبرة مقراً لها، مستشعراً جديداً للصور يُسمى Litavis، مصمم لدمج عد الفوتونات وقياس الوقت والتحليل الإحصائي مباشرة داخل شريحة واحدة. وصفت الشركة Litavis بأنه أول مستشعر للصمام الثنائي الضوئي الانهياري أحادي الفوتون (SPAD) مع قدرات معالجة داخل البكسل، حيث يجمع بين التصوير وقياس الوقت وتوليد المدرج التكراري وإحصائيات الفوتونات في جهاز واحد. لا يقوم Litavis بإرسال كميات كبيرة من بيانات الفوتونات الخام إلى معالج خارجي، بل ينفذ بعض التحليلات داخل المستشعر نفسه.

وتقول Singular Photonics إن هذا يقلل من الحاجة إلى نقل البيانات، ويمكّن من تحقيق زمن انتقال أقل وأداء أعلى لأنظمة التصوير.

أوضاع تشغيل متعددة للمستشعر

تم تصميم SPAD لاكتشاف الفوتونات الفردية، وهو مفيد بشكل خاص في بيئات الإضاءة المنخفضة للغاية أو عند قياس وقت وصول الفوتونات بدقة. على هذه الحساسية، حقق Litavis برمجة برمجية للمستشعر. يمكن إعادة تكوين نفس الأجهزة لمهام تصوير مختلفة دون الحاجة إلى إعادة تصميم المستشعر. تتضمن أوضاع التشغيل عد الفوتونات في التصوير، والبوابات الزمنية القابلة للبرمجة، وتكوينات مختلفة لمحول الوقت إلى رقمي (TDC)، وعد الفوتونات المفرد المرتبط بالوقت (TCSPC)، واكتشاف التطابق، والجمع بين الطابع الزمني والوظائف التصويرية. وهذا يمكّن المستشعر من التقاط ليس فقط عدد الفوتونات التي يتلقاها كل بكسل، بل أيضاً وقت وصول الفوتونات ومعلومات حول كيفية توزيع الأحداث بمرور الوقت.

يمكن لهذه المعلومات الإضافية أن تساعد في الحالات التي لا تكفي فيها تقنيات التصوير التقليدية القائمة على الشدة.

يستخدم Litavis بنية CMOS SPAD، ويقوم بدمج معالجة الفوتونات الرقمية مباشرة داخل مصفوفة البكسل. يوفر المستشعر تصويراً مستمراً للفوتونات بدقة 256 × 256 بكسل في ظروف الإضاءة المنخفضة. وفي الوقت نفسه، يمكنه توليد أحداث فوتونية تحمل طابعاً زمنياً على شبكة من الماكروبكسلات بدقة 64 × 64، مما يوفر دقة زمنية من مرتبة البيكو ثانية، ويتم إنشاؤها بالتزامن مع صورة الفوتونات الكاملة الدقة. كما يدعم الجهاز عد الأحداث المتعددة، مما يسمح بتخصيص الفوتونات المكتشفة المتعددة في دورة التحفيز إلى فترات زمنية مختلفة. وقدراته المدمجة في توليد المدرج التكراري يمكن استخدامها لتحليل التوزيع الإحصائي لهذه الأحداث الفوتونية.

ووفقاً لـ Singular Photonics، فإن هذا يفتح اتجاهات جديدة تتجاوز إمكانيات كاميرا التصوير التقليدية، بما في ذلك التطبيقات في تصوير عمر التألق، وتبعثر الضوء الديناميكي، والاستشعار الكمي.

فوائد تقليل نقل البيانات

تقدم هذه الطريقة حلاً لمشكلة عملية قد تصبح واضحة مع زيادة البيانات التي تجمعها أنظمة التصوير. لا يحتاج Litavis إلى نقل كل حدث فوتوني يتم اكتشافه إلى معالج آخر للتحليل، حيث يتم جزء من المعالجة داخل المستشعر نفسه. وتقول Singular Photonics إن هذا يمكن أن يقلل من كمية البيانات الأولية التي تحتاج إلى نقلها في النظام، مما يحتمل أن يحسن من زمن الانتقال وكفاءة الطاقة، مع جعل المعالجة في الوقت الفعلي أكثر قابلية للتوسع بفعالية.

إمكانيات التطبيق المرنة

تضع الشركة Litavis كم منصة مرنة، وليس مجرد مستشعر مخصص لتطبيق معين. الاستخدامات المحتملة تشمل رؤية الآلة، وتكنولوجيا الروبوتات، والذكاء الاصطناعي الفيزيائي، والاستشعار العميق، والتحليل الطيفي، والتصوير العلمي والطبي، وتكنولوجيا الكم، والأتمتة الصناعية. تم تصميم بنية المستشعر القابلة للبرمجة برمجياً للسماح للمطورين ومتكاملي الأنظمة باستخدام نفس الأجهزة وتجربة أنماط مختلفة لجمع البيانات والقياس الزمني. قد يؤدي ذلك إلى تقليل الحاجة إلى تطوير بنى مستشعرات مستقلة لتطبيقات مختلفة، ويقصر من دورة التطوير.

وقال الرئيس التنفيذي لشركة Singular Photonics، Shahida Imani: "يجمع Litavis بين مزايا حساسية تقنية SPAD، والقدرة على التكيف وقابلية التوسع التي تتطلبها أنظمة التصوير متعددة الوسائط الحديثة بشكل متزايد." وقالت الشركة إنها تلقت حجوزات كبيرة من شركات ومؤسسات دولية. تخطط الشركة لعرض Litavis في معرض SPIE Sensors + Imaging في إدنبرة، وفي معرض VISION في شتوتغارت، مما يتيح للمطورين فرصة لرؤية تشغيل الوظائف متعددة الوسائط للمستشعر.

يحاول Litavis نقل بعض الذكاء إلى داخل المستشعر، بدلاً من مجرد اعتبار مستشعر الصور جهازاً بسيطاً لالتقاط الفوتونات، مع ترك كل التفسيرات للكمبيوتر.

تأثير Litavis على تقنية استشعار الصور

يمثل إطلاق Litavis تقدمًا مهمًا في تقنية استشعار الصور، خاصة في التطبيقات في البيئات منخفضة الإضاءة. لا تعزز قدرات المعالجة الفوتونية الداخلية كفاءة التصوير فحسب، بل تقلل أيضًا من الاعتماد على المعالجات الخارجية، مما يجعله مهمًا للتطبيقات التي تحتاج إلى معالجة البيانات في الوقت الفعلي. ومع تقدم التكنولوجيا، قد يؤدي هذا التصميم المرن للمستشعر إلى تغيير نمط تطوير مستشعرات الصور التقليدية، مما يعزز الابتكار في مختلف الصناعات، خاصة في مجالات مثل رؤية الآلة وتكنولوجيا الكم.