佳能開發出全球首款100萬像素SPAD圖像傳感器

據麥姆斯諮詢報導，日本佳能（Canon）公司近日宣布開發出了世界上第一款具有信號放大像素的100萬像素單光子雪崩二極體（SPAD）圖像傳感器。SPAD圖像傳感器可以在極短的時間內捕捉並成像靜態圖像和動態視頻，是2D相機等應用的理想選擇。同時，SPAD圖像傳感器能夠捕捉與被攝體之間的距離信息作為成像數據，因此，SAPD傳感器在3D成像領域也有巨大的應用潛力。

佳能100萬像素SPAD圖像傳感器（原型）

SPAD傳感器能夠探測最微弱的光，可達光子量級水平的能量。這主要歸功於電子在高壓加速到高速時產生的雪崩效應。即在雪崩光電二極體的p-n結上施加一個非常高的反向偏壓，使結區產生很強的電場，當光照射到p-n結時所激發的光生載流子進入結區後，在強電場中會受到加速而獲得足夠的動能，在高速運動中與晶格發生碰撞，使晶格中的原子發生電離。通過碰撞電離產生的電子空穴對稱為二次電子空穴對。新產生的電子空穴對在強電場下又被加速，獲得足夠的能量再次與晶格碰撞，產生新的電子空穴對，這個過程不斷往復，使p-n結內載流子迅速增加，電流隨之急劇增多，這種現象成為雪崩效應。這種從單光子產生載流子倍增效應的能力，在圖像捕捉時可以提供更高的靈敏度，和更高的距離測量精度。

佳能100萬像素時間門控SPAD圖像傳感器架構，晶片顯微圖和像素陣列放大視圖

這款SPAD圖像傳感器由佳能和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）聯合開發，克服了長期以來的高像素數難題。通過應用新的電路技術，這款SPAD圖像傳感器採用了一種被稱為光子計數的方法實現了100萬像素的數字圖像解析度。此外，該傳感器還採用了全局快門，可以同時控制每個像素的曝光。曝光時間縮短至3.8納秒，從而實現清晰無失真的圖像捕捉。此外，該傳感器能夠支持高達每秒24000幀（FPS）1位輸出，從而能夠在極短的時間內實現快速運動的慢動作捕捉。

得益於其對整個事件或場景的精細細節捕捉能力，這項技術具有廣泛的用途和應用潛力，例如對化學反應進行清晰、安全、持續的反應分析，探測雷擊等自然現象，物體墜落，衝擊損傷，以及其它肉眼無法精確觀察的事件等。

這款100萬像素SPAD傳感器還具有高達100皮秒的時間解析度，使其能夠以超高精度探測光子到達像素的精確時間。利用該特性，這款SPAD傳感器能夠實現精確的飛行時間距離測量。更重要的是，藉助100萬像素的高解析度和高速圖像捕捉，它還能夠在多個對象重疊的情況下，精確地進行3D距離測量，非常適用於自動駕駛汽車、擴展現實（xR——增強現實AR、混合現實MR、虛擬實境VR）等設備的3D環境感知應用。

佳能公司開發的這款SPAD圖像傳感器，使深度信息捕捉3D相機達到了100萬像素的解析度，有望使這類可以充當高性能機器人「眼睛」的3D相機迅速擴大應用。展望未來，佳能將繼續推進其創新的圖像傳感器技術，進一步拓展機器視覺能力，通過高精度的信息捕捉推動科學和工業的發展，為尚未探索的領域發展作出貢獻。

SPAD傳感器

SPAD傳感器是一種特殊配置的傳感器，在其每個像素內放置了一個二極體。每一個二極體在接收到一個入射的光子時，都能將這個光子轉變成載流子的「雪崩效應」，從而產生一個大的電脈衝信號。這種從單光子產生雪崩倍增效應的能力，在圖像捕捉時可以提供更高的靈敏度，和更高的距離測量精度。

CMOS傳感器和SPAD傳感器的像素結構對比

SPAD傳感器根據其計數的脈衝數輸出信號。儘管SPAD傳感器能夠探測單個光子，但其每個像素都需要自己的存儲器或計數器，並且單個光子產生雪崩倍增效應需要高電壓，因此需要具有足夠絕緣能力的耐高壓結構。這些要求不可避免地導致了更大的像素，因此，小型化和高像素數迄今一直難以實現。不過，近年三維堆疊技術有了長足的發展，這重新振興了該領域的研發工作。

近年來，SPAD傳感器已經在現有的各種器件和設備中獲得了廣泛應用。例如，智慧型手機利用SPAD的接近傳感器可以確定設備與周圍物體之間的距離；而在醫學領域，SPAD傳感器還被用於輻射檢測以診斷早期癌症，如正電子發射斷層掃描（PET）。

業界對SPAD傳感器在更廣泛技術領域的應用寄予厚望，包括自動駕駛雷射雷達（LiDAR）傳感器、擴展現實（xR）設備、機器人視覺和監控、空間探索、生物成像、光通信和量子計算等。

光子計數

在物理學中，光子計數是指光學傳感器對光的最小單位——光子進行計數，從而確定信號光的強度和時間分布等參數信息。傳統的光電探測器通過電流和電壓檢測模擬信號。而光子計數方法是將光信號視為離散的數位訊號。

將光視為數位訊號，可以消除電子噪聲的幹擾，實現對微弱信號的高精度檢測。此外，結合專用的處理電路，光子計數不僅可以精確地檢測光子數量，而且還可以精確的檢測光子的探測時間。

傳統光電探測器與光子計數原理

飛行時間（ToF）測量

飛行時間（ToF）測量是一種用於確定傳感器與另一物體之間距離的方法。而距離的測量，基於光源以光速發射的光從目標物體反射並返回傳感器的時間計算而來。

由於光的傳播速度非常快，因此利用ToF方法的距離計算必須在1納秒到1皮秒的範圍內進行，從而需要能夠精確實現這種高速響應的光學傳感器。

佳能公司開發的這款SPAD傳感器具有高達100皮秒的時間解析度，能夠以超高精度確定光子到達像素的精確時間。利用該SPAD圖像傳感器進行ToF測量時，可以通過光源發射脈衝光照射到物體並返回到傳感器的時間確定傳感器和物體之間的物理距離。其高達100皮秒的時間解析度，使該傳感器能夠精確的進行飛行時間距離測量。

這款SPAD圖像傳感器可以很容易地集成進入各種設備，即使在完全黑暗環境中也可以非常精確地測量深度信息。這種特性使其在自動駕駛汽車和xR等類似設備的3D環境感知應用中極具前景。

飛行時間（ToF）測量原理