增強現實（AR）/虛擬現實（VR）、自動駕駛、超高幀速拍攝、自動化機器人等數字革命，為人們的生活拓展了無限可能。而賦能這一切的關鍵器件之一便是“圖像傳感器”，它們是一種將光信號轉化為電信號的器件。據麥姆斯咨詢此前報道，2020年6月，日本佳能（Canon）宣布成功研發出全球首款100萬像素單光子雪崩二極管（SPAD）圖像傳感器，一時間業界全球矚目。

光子計數

SPAD圖像傳感器是一種特殊的圖像傳感器。“圖像傳感器”一詞會讓人馬上想到數碼相機中的CMOS圖像傳感器，不過，SPAD傳感器的工作原理不同。

SPAD和CMOS圖像傳感器都利用了光是由光粒子組成的事實。不過，CMOS圖像傳感器的每個像素是測量給定時間內到達像素的光量，而SPAD圖像傳感器則測量到達像素的每個光子。SPAD圖像傳感器在其每個像素內放置了一個二極管。每一個二極管在接收到一個入射的光子時，都能將這個光子轉變成載流子的“雪崩效應”，從而產生一個大的電脈沖信號。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圖像傳感器和SPAD圖像傳感器的像素結構對比

CMOS圖像傳感器通過測量特定時間范圍內像素累積的光量來讀取電信號，這使得噪聲可能與光子一起進入像素。而SPAD圖像傳感器對單個光子進行數字計數，使得電子噪聲很難進入，能夠實現對微弱信號的高精度檢測，獲得更清晰的成像。

開口率接近100%，突破像素上限

在此之前，人們一直認為很難構建高像素數的SPAD圖像傳感器。因為SPAD圖像傳感器每個像素上的感測區域已經很小，要在傳感器中整合更多像素需要使像素更小，這將導致感測區域變得更小，進而導致更少的光子進入傳感器，這一矛盾也是大問題。

具體來說，傳統SPAD圖像傳感器每個像素都需要自己的存儲器或計數器，并且單個光子產生雪崩倍增效應需要高電壓，因此其結構要求相鄰像素上的不同感測區域之間必須留有一些空間。對應的，開口率（aperture ratio）會隨著像素的縮小而降低，從而使信號電荷的檢測變得困難。

為此，佳能采用了一種通過商用CMOS圖像傳感器量產而掌握的專有結構設計。這種設計可以無論像素尺寸變得多小，成功地將開口率保持在約100%，即使像素數增加，也能夠捕獲所有進入的光子而不發生任何泄漏。其結果實現了前所未有的100萬像素SPAD圖像傳感器。

佳能的專有技術使SPAD圖像傳感器的開口率保持約100%，不隨像素的縮小而降低

前所未有的高速高精度測距

佳能開發的這款100萬像素SPAD圖像傳感器的時間分辨率高達100皮秒，可以實現極快的信息處理，使得超快運動物體的捕捉成為可能。這款傳感器還可以利用其“高速響應”特性進行高精度距離測量，包括3D測量。

飛行時間（ToF）測量方法通過將光發射到目標物體，并測量其反射回傳感器所需要的時間，實現精確的距離測量。由于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納秒及以下的范圍內進行，從而需要能夠精確實現這種高速響應的光學傳感器。佳能開發的這款SPAD圖像傳感器能夠在納秒或更低量級的時間內檢測返回光，從而實現傳統光傳感器無法實現的ToF測量。

飛行時間（ToF）方法測距

利用成像實現更多可能

佳能還為這款SPAD圖像傳感器配備了全局快門，可以捕捉快速移動物體的視頻，同時確保物體的形狀準確無失真。與通過逐個激活傳感器連續像素行進行曝光的卷簾快門不同，這款SPAD圖像傳感器通過全局快門同時控制所有像素的曝光，將曝光時間縮短至3.8納秒，可在1位輸出中實現高達每秒24000幀（FPS）的超高幀速率。這使得傳感器能夠在極短的時間內實現快速運動的慢動作捕捉。

因此，這項技術具有對整個事件或場景進行精細細節捕捉的能力，提供了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，沖擊損傷，以及其它肉眼無法精確觀察的事件等。

這款SPAD圖像傳感器能夠捕捉幾乎瞬間發生的高速現象，上圖為慢動作圖像展示

AR/VR以及自動駕駛領域的潛在應用

通過ToF方法進行距離測量，佳能的這款SPAD圖像傳感器實現了100萬像素高分辨率的超高速圖像采集。這有助于更精確的3D距離測量，甚至可以從容應對多個物體重疊的復雜場景。

AR/VR需要將虛擬圖像疊加呈現在真實場景中，利用SPAD圖像傳感器快速獲取精確的3D空間信息，可以實現更精確的實時位置對準。此外，業界對SPAD圖像傳感器的更廣泛應用也寄予厚望，希望可以利用它解決自動駕駛設計中最大的挑戰之一：測量車輛與其附近的人和物體之間的距離。

佳能這款SPAD圖像傳感器的成功開發，意味著能夠識別深度信息的3D相機的分辨率可以達到100萬像素。這一性能可以為人類未來社會依賴的智能機器人等設備提供高性能的“慧眼”。

而在此之前，業界普遍認為3D相機很難實現100萬像素的高分辨率。

佳能的這項研發成果未來將賦能很多超越想象的未知服務和產品。它們可以很容易地集成進入各種設備，即使在完全黑暗的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AR/VR等設備的3D環境感知應用中極具前景。

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