Britische Firma präsentiert weltweit ersten Bildsensor mit In-Pixel-Photonenverarbeitung auf Basis von Single-Photon Avalanche Dioden

Das in Edinburgh ansässige Halbleiterunternehmen Singular Photonics hat Litavis vorgestellt, einen neuartigen Bildsensor, der darauf abzielt, Photonenzählung, Zeitmessung und statistische Analyse direkt auf einem einzigen Chip zu integrieren. Das Unternehmen beschreibt Litavis als den weltweit ersten Bildsensor mit In-Pixel-Verarbeitungsfähigkeit auf Basis von Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD), der die Bildgebung, Zeitmessung, Histogrammgenerierung und Photonenstatistik in einem einzigen Gerät vereint. Litavis überträgt nicht mehr große Mengen an Rohphotonendaten an einen externen Prozessor, sondern führt einige Analysen intern im Sensor durch.

Singular Photonics erklärt, dass dies den Datenübertragungsbedarf reduziert und bildgebende Systeme mit geringerer Latenz und höherer Effizienz ermöglicht.

Vielfältige Betriebsmodi des Sensors

SPADs sind darauf ausgelegt, einzelne Photonen zu erkennen und sind besonders nützlich bei sehr schwachem Licht oder bei der präzisen Messung der Ankunftszeit von Photonen. Litavis baut auf dieser Empfindlichkeit auf und ermöglicht die softwaregesteuerte Konfiguration des Sensors. Die gleiche Hardware kann je nach Bildgebungsaufgabe neu konfiguriert werden, ohne dass der Sensor neu entworfen werden muss. Zu den Betriebsmodi gehören Photonenzählungsbildgebung, programmierbare Zeitfenster, verschiedene Konfigurationen von Zeit-Digital-Wandlern (TDC), zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC), Koinzidenzerkennung und die Kombination von Zeitstempeln und Bildgebung. Dadurch kann der Sensor nicht nur erfassen, wie viele Photonen jeder Pixel empfängt, sondern auch Informationen über die Ankunftszeit der Photonen und wie sich die Ereignisse über die Zeit verteilen.

Diese zusätzlichen Informationen können in Situationen hilfreich sein, in denen die traditionelle intensitätsbasierte Bildgebung nicht ausreicht.

Litavis verwendet eine CMOS-SPAD-Struktur und integriert die digitale Photonenverarbeitung direkt innerhalb der Pixelmatrix. Der Sensor bietet im Niedriglichtbereich eine kontinuierliche Photonenzählungsbildgebung mit 256 × 256 Pixeln. Gleichzeitig kann er auf einem 64 × 64-Makropixel-Gitter Photonenereignisse mit Zeitstempeln erzeugen, die eine Pikosekunden-genaue Zeitauflösung bieten und gleichzeitig mit dem Photonenzählungsbild mit voller Auflösung erzeugt werden. Das Gerät unterstützt auch die Mehrfachereignis-Zeitmessung, die es ermöglicht, mehrere innerhalb eines Anregungszyklus erkannte Photonen jeweils in Zeitintervalle einzuordnen. Die integrierte Histogrammgenerierungsfähigkeit kann zur Analyse der statistischen Verteilung dieser Photonenereignisse verwendet werden.

Nach Angaben von Singular Photonics eröffnet dies neue Möglichkeiten, die über die traditionelle Kamerabildgebung hinausgehen, einschließlich Anwendungen in der Fluoreszenzlebenszeitbildgebung, dynamischer Lichtstreuung und Quantenerfassung.

Der Vorteil der reduzierten Datenübertragung

Dieser Ansatz löst auch ein praktisches Problem, das mit der zunehmenden Datenerfassung von bildgebenden Systemen immer deutlicher wird. Litavis muss nicht jedes erkannte Photonenereignis an einen anderen Prozessor zur Analyse übertragen, da ein Teil der Verarbeitung intern im Sensor erfolgt. Singular Photonics erklärt, dass dies die Menge der Rohdaten, die im System übertragen werden müssen, reduziert und somit das Potenzial hat, die Latenz und die Energieeffizienz zu verbessern, während die Echtzeitverarbeitung effektiver skaliert werden kann.

Potenzial für flexible Anwendungen

Das Unternehmen positioniert Litavis als eine flexible Plattform und nicht nur als Sensor für eine bestimmte Anwendung. Zu den potenziellen Anwendungen gehören Maschinensicht, Robotik, physische künstliche Intelligenz, Tiefenwahrnehmung, Spektroskopie, wissenschaftliche und medizinische Bildgebung, Quantentechnologie und industrielle Automatisierung. Die softwarekonfigurierbare Architektur soll Entwickler und Systemintegratoren in die Lage versetzen, mit der gleichen Hardware verschiedene Datenakquisitions- und Zeitmessmodi auszuprobieren. Dies könnte den Bedarf an der Entwicklung separater Sensorarchitekturen für verschiedene Anwendungen reduzieren und die Entwicklungszyklen verkürzen.

Singular Photonics CEO Shahida Imani sagte: "Litavis kombiniert die Vorteile der Empfindlichkeit der SPAD-Technologie mit der zunehmend geforderten Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit der modernen multimodalen Bildgebung." Das Unternehmen gibt an, dass es bereits beträchtliche Vorbestellungen von internationalen Unternehmen und Institutionen erhalten hat. Das Unternehmen plant, Litavis auf der SPIE Sensors + Imaging-Messe in Edinburgh und auf der VISION-Messe in Stuttgart vorzustellen, damit Entwickler die multimodale Funktionalität des Sensors in Aktion sehen können.

Litavis versucht, einige Intelligenz in den Sensor zu verlagern und ihn nicht nur als einfaches Gerät zur Erfassung von Photonen zu betrachten, sondern die gesamte Interpretation dem Computer zu überlassen.

Der Einfluss von Litavis auf die Bildsensortechnologie

Die Einführung von Litavis markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Bildsensortechnologie, insbesondere in Anwendungen bei schwachem Licht. Die interne Photonenverarbeitungsfähigkeit erhöht nicht nur die Effizienz der Bildgebung, sondern reduziert auch die Abhängigkeit von externen Prozessoren, was für Anwendungen, die eine Echtzeitdatenverarbeitung erfordern, besonders wichtig ist. Mit dem technologischen Fortschritt könnte diese flexible Sensorarchitektur den traditionellen Entwicklungsmodus von Bildsensoren verändern und Innovationen in verschiedenen Industriezweigen fördern, insbesondere in Bereichen wie Maschinensicht und Quantentechnologie.