據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本佳能（Canon）公司近日宣布開(kāi)發(fā)出了世界上第一款具有信號(hào)放大像素的100萬(wàn)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(shí)間內(nèi)捕捉并成像靜態(tài)圖像和動(dòng)態(tài)視頻，是2D相機(jī)等應(yīng)用的理想選擇。同時(shí)，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(wàn)像素SPAD圖像傳感器（原型）

SPAD傳感器能夠探測(cè)最微弱的光，可達(dá)光子量級(jí)水平的能量。這主要?dú)w功于電子在高壓加速到高速時(shí)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(gè)非常高的反向偏壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，當(dāng)光照射到p-n結(jié)時(shí)所激發(fā)的光生載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后，在強(qiáng)電場(chǎng)中會(huì)受到加速而獲得足夠的動(dòng)能，在高速運(yùn)動(dòng)中與晶格發(fā)生碰撞，使晶格中的原子發(fā)生電離。通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)稱為二次電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)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(duì)，這個(gè)過(guò)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(shí)可以提供更高的靈敏度，和更高的距離測(cè)量精度。

佳能100萬(wàn)像素時(shí)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(kāi)發(fā)，克服了長(zhǎng)期以來(lái)的高像素?cái)?shù)難題。通過(guò)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(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了100萬(wàn)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(shí)控制每個(gè)像素的曝光。曝光時(shí)間縮短至3.8納秒，從而實(shí)現(xiàn)清晰無(wú)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(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的慢動(dòng)作捕捉。

得益于其對(duì)整個(gè)事件或場(chǎng)景的精細(xì)細(xì)節(jié)捕捉能力，這項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的用途和應(yīng)用潛力，例如對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行清晰、安全、持續(xù)的反應(yīng)分析，探測(cè)雷擊等自然現(xiàn)象，物體墜落，沖擊損傷，以及其它肉眼無(wú)法精確觀察的事件等。

這款100萬(wàn)像素SPAD傳感器還具有高達(dá)100皮秒的時(shí)間分辨率，使其能夠以超高精度探測(cè)光子到達(dá)像素的精確時(shí)間。利用該特性，這款SPAD傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的飛行時(shí)間距離測(cè)量。更重要的是，借助100萬(wàn)像素的高分辨率和高速圖像捕捉，它還能夠在多個(gè)對(duì)象重疊的情況下，精確地進(jìn)行3D距離測(cè)量，非常適用于自動(dòng)駕駛汽車、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（xR——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR、混合現(xiàn)實(shí)MR、虛擬現(xiàn)實(shí)VR）等設(shè)備的3D環(huán)境感知應(yīng)用。

佳能公司開(kāi)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(wàn)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(lái)，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(jué)能力，通過(guò)高精度的信息捕捉推動(dòng)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(gè)像素內(nèi)放置了一個(gè)二極管。每一個(gè)二極管在接收到一個(gè)入射的光子時(shí)，都能將這個(gè)光子轉(zhuǎn)變成載流子的“雪崩效應(yīng)”，從而產(chǎn)生一個(gè)大的電脈沖信號(hào)。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(shí)可以提供更高的靈敏度，和更高的距離測(cè)量精度。

CMOS傳感器和SPAD傳感器的像素結(jié)構(gòu)對(duì)比

SPAD傳感器根據(jù)其計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)輸出信號(hào)。盡管SPAD傳感器能夠探測(cè)單個(gè)光子，但其每個(gè)像素都需要自己的存儲(chǔ)器或計(jì)數(shù)器，并且單個(gè)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?cái)?shù)迄今一直難以實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，近年三維堆疊技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，這重新振興了該領(lǐng)域的研發(fā)工作。

近年來(lái)，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(cè)以診斷早期癌癥，如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）。

業(yè)界對(duì)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(dòng)駕駛激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（xR）設(shè)備、機(jī)器人視覺(jué)和監(jiān)控、空間探索、生物成像、光通信和量子計(jì)算等。

光子計(jì)數(shù)

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

將光視為數(shù)字信號(hào)，可以消除電子噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的高精度檢測(cè)。此外，結(jié)合專用的處理電路，光子計(jì)數(shù)不僅可以精確地檢測(cè)光子數(shù)量，而且還可以精確的檢測(cè)光子的探測(cè)時(shí)間。

傳統(tǒng)光電探測(cè)器與光子計(jì)數(shù)原理

飛行時(shí)間（ToF）測(cè)量

飛行時(shí)間（ToF）測(cè)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(cè)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(shí)間計(jì)算而來(lái)。

由于光的傳播速度非常快，因此利用ToF方法的距離計(jì)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(shí)現(xiàn)這種高速響應(yīng)的光學(xué)傳感器。

佳能公司開(kāi)發(fā)的這款SPAD傳感器具有高達(dá)100皮秒的時(shí)間分辨率，能夠以超高精度確定光子到達(dá)像素的精確時(shí)間。利用該SPAD圖像傳感器進(jìn)行ToF測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)光源發(fā)射脈沖光照射到物體并返回到傳感器的時(shí)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(shí)間分辨率，使該傳感器能夠精確的進(jìn)行飛行時(shí)間距離測(cè)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(cè)量深度信息。這種特性使其在自動(dòng)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(shí)間（ToF）測(cè)量原理