佳能开发出一款具有信号放大像素的100万像素单光子雪崩二极管图像传感器

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

飞行时间（ToF）测量是一种用于确定传感器与另一物体之间距离的方法。而距离的测量，基于光源以光速发射的光从目标物体反射并返回传感器的时间计算而来。

由于光的传播速度非常快，因此利用ToF方法的距离计算必须在1纳秒到1皮秒的范围内进行，从而需要能够精确实现这种高速响应的光学传感器。

佳能公司开发的这款SPAD传感器具有高达100皮秒的时间分辨率，能够以超高精度确定光子到达像素的精确时间。利用该SPAD图像传感器进行ToF测量时，可以通过光源发射脉冲光照射到物体并返回到传感器的时间确定传感器和物体之间的物理距离。其高达100皮秒的时间分辨率，使该传感器能够精确的进行飞行时间距离测量。

这款SPAD图像传感器可以很容易地集成进入各种设备，即使在完全黑暗环境中也可以非常精确地测量深度信息。这种特性使其在自动驾驶汽车和xR等类似设备的3D环境感知应用中极具前景。

飞行时间（ToF）测量原理