據(jù)麥姆斯咨詢報道，日本佳能（Canon）公司近日宣布開發(fā)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管（SPAD）圖像傳感器。SPAD圖像傳感器可以在極短的時間內(nèi)捕捉并成像靜態(tài)圖像和動態(tài)視頻，是2D相機(jī)等應(yīng)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(shù)據(jù)，因此，SAPD傳感器在3D成像領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)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(dá)光子量級水平的能量。這主要歸功于電子在高壓加速到高速時產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)。即在雪崩光電二極管的p-n結(jié)上施加一個非常高的反向偏壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，當(dāng)光照射到p-n結(jié)時所激發(fā)的光生載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后，在強(qiáng)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(fā)生碰撞，使晶格中的原子發(fā)生電離。通過碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對稱為二次電子空穴對。新產(chǎn)生的電子空穴對在強(qiáng)電場下又被加速，獲得足夠的能量再次與晶格碰撞，產(chǎn)生新的電子空穴對，這個過程不斷往復(fù)，使p-n結(jié)內(nèi)載流子迅速增加，電流隨之急劇增多，這種現(xiàn)象成為雪崩效應(yīng)。這種從單光子產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)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(gòu)，芯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(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）聯(lián)合開發(fā)，克服了長期以來的高像素數(shù)難題。通過應(yīng)用新的電路技術(shù)，這款SPAD圖像傳感器采用了一種被稱為光子計數(shù)的方法實現(xiàn)了100萬像素的數(shù)字圖像分辨率。此外，該傳感器還采用了全局快門，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(xiàn)清晰無失真的圖像捕捉。此外，該傳感器能夠支持高達(dá)每秒24000幀（FPS）1位輸出，從而能夠在極短的時間內(nèi)實現(xiàn)快速運動的慢動作捕捉。

得益于其對整個事件或場景的精細(xì)細(xì)節(jié)捕捉能力，這項技術(shù)具有廣泛的用途和應(yīng)用潛力，例如對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行清晰、安全、持續(xù)的反應(yīng)分析，探測雷擊等自然現(xiàn)象，物體墜落，沖擊損傷，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(dá)100皮秒的時間分辨率，使其能夠以超高精度探測光子到達(dá)像素的精確時間。利用該特性，這款SPAD傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的飛行時間距離測量。更重要的是，借助100萬像素的高分辨率和高速圖像捕捉，它還能夠在多個對象重疊的情況下，精確地進(jìn)行3D距離測量，非常適用于自動駕駛汽車、擴(kuò)展現(xiàn)實（xR——增強(qiáng)現(xiàn)實AR、混合現(xiàn)實MR、虛擬現(xiàn)實VR）等設(shè)備的3D環(huán)境感知應(yīng)用。

佳能公司開發(fā)的這款SPAD圖像傳感器，使深度信息捕捉3D相機(jī)達(dá)到了100萬像素的分辨率，有望使這類可以充當(dāng)高性能機(jī)器人“眼睛”的3D相機(jī)迅速擴(kuò)大應(yīng)用。展望未來，佳能將繼續(xù)推進(jìn)其創(chuàng)新的圖像傳感器技術(shù)，進(jìn)一步拓展機(jī)器視覺能力，通過高精度的信息捕捉推動科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展，為尚未探索的領(lǐng)域發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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(nèi)放置了一個二極管。每一個二極管在接收到一個入射的光子時，都能將這個光子轉(zhuǎn)變成載流子的“雪崩效應(yīng)”，從而產(chǎn)生一個大的電脈沖信號。這種從單光子產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)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(jié)構(gòu)對比

SPAD傳感器根據(jù)其計數(shù)的脈沖數(shù)輸出信號。盡管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(shù)器，并且單個光子產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)需要高電壓，因此需要具有足夠絕緣能力的耐高壓結(jié)構(gòu)。這些要求不可避免地導(dǎo)致了更大的像素，因此，小型化和高像素數(shù)迄今一直難以實現(xiàn)。不過，近年三維堆疊技術(shù)有了長足的發(fā)展，這重新振興了該領(lǐng)域的研發(fā)工作。

近年來，SPAD傳感器已經(jīng)在現(xiàn)有的各種器件和設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。例如，智能手機(jī)利用SPAD的接近傳感器可以確定設(shè)備與周圍物體之間的距離；而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SPAD傳感器還被用于輻射檢測以診斷早期癌癥，如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）。

業(yè)界對SPAD傳感器在更廣泛技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用寄予厚望，包括自動駕駛激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器、擴(kuò)展現(xiàn)實（xR）設(shè)備、機(jī)器人視覺和監(jiān)控、空間探索、生物成像、光通信和量子計算等。

光子計數(shù)

在物理學(xué)中，光子計數(shù)是指光學(xué)傳感器對光的最小單位——光子進(jìn)行計數(shù)，從而確定信號光的強(qiáng)度和時間分布等參數(shù)信息。傳統(tǒng)的光電探測器通過電流和電壓檢測模擬信號。而光子計數(shù)方法是將光信號視為離散的數(shù)字信號。

將光視為數(shù)字信號，可以消除電子噪聲的干擾，實現(xiàn)對微弱信號的高精度檢測。此外，結(jié)合專用的處理電路，光子計數(shù)不僅可以精確地檢測光子數(shù)量，而且還可以精確的檢測光子的探測時間。

傳統(tǒng)光電探測器與光子計數(shù)原理

飛行時間（ToF）測量

飛行時間（ToF）測量是一種用于確定傳感器與另一物體之間距離的方法。而距離的測量，基于光源以光速發(fā)射的光從目標(biāo)物體反射并返回傳感器的時間計算而來。

由于光的傳播速度非?？?，因此利用ToF方法的距離計算必須在1納秒到1皮秒的范圍內(nèi)進(jìn)行，從而需要能夠精確實現(xiàn)這種高速響應(yīng)的光學(xué)傳感器。

佳能公司開發(fā)的這款SPAD傳感器具有高達(dá)100皮秒的時間分辨率，能夠以超高精度確定光子到達(dá)像素的精確時間。利用該SPAD圖像傳感器進(jìn)行ToF測量時，可以通過光源發(fā)射脈沖光照射到物體并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(dá)100皮秒的時間分辨率，使該傳感器能夠精確的進(jìn)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(jìn)入各種設(shè)備，即使在完全黑暗環(huán)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(shè)備的3D環(huán)境感知應(yīng)用中極具前景。

飛行時間（ToF）測量原理