全球首款100萬像素SPAD圖像傳感器
2021-06-10
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。
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。
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。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。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。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。
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。
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”。
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。
