佳能开发出全球首款100万像素SPAD图像传感器，适用XR等3D环境感知应用

据麦姆斯咨询报道，日本佳能（Canon）公司近日宣布开发出了世界上第一款具有信号放大像素的100万像素单光子雪崩二极管（SPAD）图像传感器。SPAD图像传感器可以在极短的时间内捕捉并成像静态图像和动态视频，是2D相机等应用的理想选择。同时，SPAD图像传感器能够捕捉与被摄体之间的距离信息作为成像数据，因此，SAPD传感器在3D成像领域也有巨大的应用潜力。

佳能100万像素SPAD图像传感器（原型）

SPAD传感器能够探测最微弱的光，可达光子量级水平的能量。这主要归功于电子在高压加速到高速时产生的雪崩效应。

即在雪崩光电二极管的p-n结上施加一个非常高的反向偏压，使结区产生很强的电场，当光照射到p-n结时所激发的光生载流子进入结区后，在强电场中会受到加速而获得足够的动能，在高速运动中与晶格发生碰撞，使晶格中的原子发生电离。通过碰撞电离产生的电子空穴对称为二次电子空穴对。

新产生的电子空穴对在强电场下又被加速，获得足够的能量再次与晶格碰撞，产生新的电子空穴对，这个过程不断往复，使p-n结内载流子迅速增加，电流随之急剧增多，这种现象成为雪崩效应。这种从单光子产生载流子倍增效应的能力，在图像捕捉时可以提供更高的灵敏度，和更高的距离测量精度。

佳能100万像素时间门控SPAD图像传感器架构，芯片显微图和像素阵列放大视图

这款SPAD图像传感器由佳能和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）联合开发，克服了长期以来的高像素数难题。通过应用新的电路技术，这款SPAD图像传感器采用了一种被称为光子计数的方法实现了100万像素的数字图像分辨率。

此外，该传感器还采用了全局快门，可以同时控制每个像素的曝光。曝光时间缩短至3.8纳秒，从而实现清晰无失真的图像捕捉。此外，该传感器能够支持高达每秒24000帧（FPS）1位输出，从而能够在极短的时间内实现快速运动的慢动作捕捉。得益于其对整个事件或场景的精细细节捕捉能力，这项技术具有广泛的用途和应用潜力，例如对化学反应进行清晰、安全、持续的反应分析，探测雷击等自然现象，物体坠落，冲击损伤，以及其它肉眼无法精确观察的事件等。这款100万像素SPAD传感器还具有高达100皮秒的时间分辨率，使其能够以超高精度探测光子到达像素的精确时间。利用该特性，这款SPAD传感器能够实现精确的飞行时间距离测量。

更重要的是，借助100万像素的高分辨率和高速图像捕捉，它还能够在多个对象重叠的情况下，精确地进行3D距离测量，非常适用于自动驾驶汽车、扩展现实（xR——增强现实AR、混合现实MR、虚拟现实VR）等设备的3D环境感知应用。佳能公司开发的这款SPAD图像传感器，使深度信息捕捉3D相机达到了100万像素的分辨率，有望使这类可以充当高性能机器人“眼睛”的3D相机迅速扩大应用。展望未来，佳能将继续推进其创新的图像传感器技术，进一步拓展机器视觉能力，通过高精度的信息捕捉推动科学和工业的发展，为尚未探索的领域发展作出贡献

SPAD传感器

SPAD传感器是一种特殊配置的传感器，在其每个像素内放置了一个二极管。每一个二极管在接收到一个入射的光子时，都能将这个光子转变成载流子的“雪崩效应”，从而产生一个大的电脉冲信号。这种从单光子产生雪崩倍增效应的能力，在图像捕捉时可以提供更高的灵敏度，和更高的距离测量精度。

CMOS传感器和SPAD传感器的像素结构对比

SPAD传感器根据其计数的脉冲数输出信号。尽管SPAD传感器能够探测单个光子，但其每个像素都需要自己的存储器或计数器，并且单个光子产生雪崩倍增效应需要高电压，因此需要具有足够绝缘能力的耐高压结构。这些要求不可避免地导致了更大的像素，因此，小型化和高像素数迄今一直难以实现。不过，近年三维堆叠技术有了长足的发展，这重新振兴了该领域的研发工作。近年来，SPAD传感器已经在现有的各种器件和设备中获得了广泛应用。例如，智能手机利用SPAD的接近传感器可以确定设备与周围物体之间的距离；而在医学领域，SPAD传感器还被用于辐射检测以诊断早期癌症，如正电子发射断层扫描（PET）。业界对SPAD传感器在更广泛技术领域的应用寄予厚望，包括自动驾驶激光雷达（LiDAR）传感器、扩展现实（xR）设备、机器人视觉和监控、空间探索、生物成像、光通信和量子计算等。

光子计数

在物理学中，光子计数是指光学传感器对光的最小单位——光子进行计数，从而确定信号光的强度和时间分布等参数信息。传统的光电探测器通过电流和电压检测模拟信号。而光子计数方法是将光信号视为离散的数字信号。将光视为数字信号，可以消除电子噪声的干扰，实现对微弱信号的高精度检测。此外，结合专用的处理电路，光子计数不仅可以精确地检测光子数量，而且还可以精确的检测光子的探测时间。

传统光电探测器与光子计数原理

飞行时间（ToF）测量

（编辑：鞍山站长网）

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