یک شرکت فناور از حسگر Litavis رونمایی کرده است که میتواند فوتونهای منفرد را شمارش و زمان رسیدن آنها را درون تراشه پردازش کند.
به گزارش سیناپرس، شرکت Singular Photonics از حسگر تصویری جدیدی با نام Litavis رونمایی کرده است که به گفته این شرکت نخستین حسگر مبتنی بر دیود بهمنی تکفوتونی (SPAD) در جهان محسوب میشود که قابلیت پردازش دادههای فوتونی را در سطح پیکسل دارد و میتواند تصویربرداری، اندازهگیری زمان، ساخت هیستوگرام و تحلیل آماری فوتونها را روی یک تراشه انجام دهد.
حسگرهای SPAD یا Single-Photon Avalanche Diode برای شناسایی فوتونهای منفرد طراحی شدهاند و به همین دلیل در شرایطی که شدت نور بسیار پایین است یا زمان دقیق رسیدن فوتونها اهمیت دارد کاربرد ویژهای دارند.
حسگر Litavis با اضافه کردن قابلیت پردازش مستقیم رویدادهای فوتونی به ساختار حسگر تلاش میکند بخشی از پردازشهایی را که معمولاً پس از دریافت دادهها و در یک پردازنده خارجی انجام میشوند روی خود تراشه انجام دهد.
پردازش دادههای فوتونی پیش از انتقال به پردازنده خارجی
در سامانههای تصویربرداری مبتنی بر SPAD با افزایش تعداد فوتونهای شناساییشده حجم داده خام تولیدشده نیز میتواند افزایش پیدا کند. در معماریهای معمول این دادهها برای پردازش بیشتر به یک پردازنده خارجی منتقل میشوند اما در Litavis بخشی از پردازش مستقیما در آرایه پیکسلی انجام میشود. بر اساس اعلام Singular Photonics این معماری میتواند میزان داده خام مورد نیاز برای انتقال به خارج از حسگر را کاهش دهد و در نتیجه به کاهش تاخیر پردازش و مصرف انرژی کمک کند.
این شرکت Litavis را یک حسگر قابل پیکربندی از طریق نرمافزار معرفی کرده است؛ به این معنا که میتوان یک سختافزار واحد را برای انجام وظایف مختلف تصویربرداری و اندازهگیری تنظیم کرد بدون اینکه برای هر کاربرد به طراحی یک حسگر کاملاً جدید نیاز باشد.
ثبت تعداد فوتونها و زمان رسیدن آنها
Litavis علاوه بر تصویربرداری مبتنی بر شمارش فوتون از چندین حالت عملیاتی برای ثبت و تحلیل رویدادهای فوتونی پشتیبانی میکند. از جمله این قابلیتها میتوان به تصویربرداری شمارش فوتون، دروازه زمانی قابل برنامهریزی (Programmable Time Gating)، پیکربندیهای مختلف مبدل زمان به دیجیتال (TDC)، شمارش تکفوتونی همبسته زمانی (TCSPC)، تشخیص همزمانی (Coincidence Detection) و ترکیب ثبت زمان دقیق فوتون با تصویربرداری اشاره کرد.
در نتیجه این حسگر تنها میزان نور دریافتشده توسط هر پیکسل را اندازهگیری نمیکند، بلکه میتواند اطلاعات مربوط به زمان رسیدن فوتونها و نحوه توزیع این رویدادها در طول زمان را نیز ثبت کند.
این اطلاعات زمانی در برخی کاربردهای علمی و صنعتی اهمیت زیادی دارد، زیرا در چنین کاربردهایی صرفاً دانستن شدت نور برای استخراج اطلاعات مورد نیاز کافی نیست.
تصویربرداری ۲۵۶ در ۲۵۶ پیکسلی در کنار ثبت زمانی
ساختار Litavis بر پایه یک معماری CMOS SPAD شکل گرفته و پردازش دیجیتال فوتونها مستقیما در آرایه پیکسلی آن یکپارچه شده است.
این حسگر میتواند تصویربرداری شمارش فوتون را با وضوح ۲۵۶ × ۲۵۶ پیکسل و بهصورت پیوسته در شرایط کمنور انجام دهد.
همزمان Litavis قادر است رویدادهای فوتونی دارای برچسب زمانی را روی یک شبکه ۶۴ × ۶۴ ماکروپیکسلی تولید کند. این ساختار امکان ثبت اطلاعات زمانی با وضوح در مقیاس پیکوثانیه را در کنار تصویربرداری شمارش فوتون با وضوح کامل فراهم میکند.
یکی دیگر از قابلیتهای این حسگر زمانسنجی چندرویدادی است. به این ترتیب در صورتی که چند فوتون طی یک چرخه تحریک شناسایی شوند، امکان اختصاص دادن هر فوتون به بازه زمانی مربوط به خود وجود دارد.
تحلیل آماری فوتونها روی خود حسگر
Litavis همچنین از قابلیت هیستوگرامسازی درونپیکسلی برخوردار است. این قابلیت به حسگر اجازه میدهد توزیع آماری رویدادهای فوتونی را در همان تراشه بررسی کند.
به گفته Singular Photonics چنین قابلیتی میتواند استفاده از این حسگر را به کاربردهایی فراتر از تصویربرداری معمولی گسترش دهد. از جمله این کاربردها میتوان به تصویربرداری طول عمر فلورسانس (FLIM)، پراکندگی پویای نور (Dynamic Light Scattering) و حسگری کوانتومی اشاره کرد.
در تصویربرداری طول عمر فلورسانس برای مثال اطلاعات مربوط به زمانبندی فوتونهای منتشرشده میتواند به استخراج اطلاعاتی درباره ویژگیهای ماده یا مولکولهای مورد بررسی کمک کند؛ بنابراین ثبت زمان رسیدن فوتونها در کنار شدت نور اهمیت پیدا میکند.
حرکت بخشی از پردازش از رایانه به حسگر
یکی از تفاوتهای اصلی معماری Litavis با یک حسگر تصویری متعارف انتقال بخشی از فرآیند تحلیل داده به داخل خود حسگر است.
در یک معماری متداول هر رویداد فوتونی میتواند بهصورت داده خام به یک پردازنده خارجی منتقل شود تا در آنجا پردازش و تحلیل شود، اما در Litavis بخشی از این عملیات پیش از خروج داده از حسگر انجام میشود.
Singular Photonics اعلام کرده است که این رویکرد میتواند حجم داده خام منتقلشده را کاهش دهد و در نتیجه تاخیر کمتر و بهرهوری انرژی بالاتر را امکانپذیر کند. همچنین پردازش روی تراشه میتواند به توسعه سامانههایی کمک کند که نیازمند تحلیل دادههای تصویری در زمان واقعی هستند.
یک حسگر برای کاربردهای مختلف
Singular Photonics قصد دارد Litavis را بهعنوان یک پلتفرم انعطافپذیر برای کاربردهای مختلف عرضه کند نه حسگری که صرفا برای یک کاربرد مشخص طراحی شده باشد.
از کاربردهای احتمالی این فناوری میتوان به بینایی ماشین، رباتیک، هوش مصنوعی فیزیکی (Physical AI)، حسگری عمق، طیفسنجی، تصویربرداری علمی و پزشکی، فناوریهای کوانتومی و اتوماسیون صنعتی اشاره کرد.
قابل برنامهریزی بودن معماری حسگر به توسعهدهندگان و یکپارچهسازان سامانهها اجازه میدهد حالتهای مختلف تصویربرداری و اندازهگیری زمانی را با استفاده از یک سختافزار واحد آزمایش کنند. در صورت عملی شدن این رویکرد در سامانههای مختلف نیاز به توسعه معماریهای جداگانه برای هر کاربرد کاهش پیدا میکند و روند توسعه محصولات نیز میتواند کوتاهتر شود.
شاهیدا ایمانی مدیرعامل Singular Photonics درباره این فناوری گفت Litavis حساسیت فناوری SPAD را با انعطافپذیری و مقیاسپذیری مورد نیاز برای تصویربرداری چندوجهی ترکیب میکند.
Singular Photonics اعلام کرده است که پیش از عرضه عمومی، سفارشهای اولیه قابلتوجهی از شرکتها و مؤسسات مختلف در سطح بینالمللی دریافت کرده است.
به نقل از برنا، این شرکت قصد دارد قابلیتهای Litavis را در نمایشگاه SPIE Sensors + Imaging در ادینبورگ و سپس در نمایشگاه VISION در اشتوتگارت به نمایش بگذارد تا توسعهدهندگان بتوانند عملکرد چندوجهی این حسگر را از نزدیک بررسی کنند.
در مجموع رویکرد Litavis را میتوان تلاشی برای تغییر نقش حسگر تصویری دانست؛ بهجای اینکه حسگر صرفا فوتونها را ثبت کند و تمام مراحل تفسیر داده را به یک رایانه خارجی بسپارد، بخشی از فرآیند پردازش و استخراج اطلاعات فوتونی مستقیما در خود حسگر انجام میشود. این معماری میتواند بهویژه در سامانههایی که با حجم بالای دادههای فوتونی، محدودیت توان پردازشی یا نیاز به پاسخ سریع مواجهاند اهمیت داشته باشد.