全球首款100万像素SPAD图像传感器
2021-06-10
增强现实（AR）/虚拟现实（VR）、自动驾驶、超高帧速拍摄、自动化机器人等数字革命，为人们的生活拓展了
无限可能。而赋能这一切的关键器件之一便是“图像传感器”，它们是一种将光信号转化为电信号的器件。
SPAD图像传感器是一种特殊的图像传感器。“图像传感器”一词会让人马上想到数码相机中的CMOS图像传感
器，不过，SPAD传感器的工作原理不同。
SPAD和CMOS图像传感器都利用了光是由光粒子组成的事实。不过，CMOS图像传感器的每个像素是测量给定
时间内到达像素的光量，而SPAD图像传感器则测量到达像素的每个光子。SPAD图像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图像传感器通过测量特定时间范围内像素累积的光量来读取电信号，这使得噪声可能与光子一起进入像素。
而SPAD图像传感器对单个光子进行数字计数，使得电子噪声很难进入，能够实现对微弱信号的高精度检测，获得更
清晰的成像。
在此之前，人们一直认为很难构建高像素数的SPAD图像传感器。为此，佳能采用了一种通过商用CMOS图像传感
器量产而掌握的专有结构设计。这种设计可以无论像素尺寸变得多小，成功地将开口率保持在约100%，即使像素数增
加，也能够捕获所有进入的光子而不发生任何泄漏。其结果实现了前所未有的100万像素SPAD图像传感器。
佳能开发的这款100万像素SPAD图像传感器的时间分辨率高达100皮秒，可以实现极快的信息处理，使得超快运动
物体的捕捉成为可能。这款传感器还可以利用其“高速响应”特性进行高精度距离测量，包括3D测量。佳能开发的这款
SPAD图像传感器能够在纳秒或更低量级的时间内检测返回光，从而实现传统光传感器无法实现的ToF测量。佳能还为这
款SPAD图像传感器配备了全局快门，可以捕捉快速移动物体的视频，同时确保物体的形状准确无失真。
通过ToF方法进行距离测量，佳能的这款SPAD图像传感器实现了100万像素高分辨率的超高速图像采集。这有助于
更精确的3D距离测量，甚至可以从容应对多个物体重叠的复杂场景。
佳能这款SPAD图像传感器的成功开发，意味着能够识别深度信息的3D相机的分辨率可以达到100万像素。这一性能
可以为人类未来社会依赖的智能机器人等设备提供高性能的“慧眼”。
佳能的这项研发成果未来将赋能很多超越想象的未知服务和产品。它们可以很容易地集成进入各种设备，即使在完
全黑暗的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AR/VR等设备的3D环境感知应用中极
具前景。
