全球首款100万像素SPAD图像传感器：全局快门、24000FPS
2021-06-02 08:10:40   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

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。据麦姆斯咨询此前报道，2020年6月，日本佳能（Canon）宣布成功研发出全球首款100万像素单光子雪崩二极管（SPAD）图像传感器，一时间业界全球瞩目。

光子计数

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图像传感器和SPAD图像传感器的像素结构对比

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。

开口率接近100%，突破像素上限

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。因为SPAD图像传感器每个像素上的感测区域已经很小，要在传感器中整合更多像素需要使像素更小，这将导致感测区域变得更小，进而导致更少的光子进入传感器，这一矛盾也是大问题。

具体来说，传统SPAD图像传感器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，因此其结构要求相邻像素上的不同感测区域之间必须留有一些空间。对应的，开口率（aperture ratio）会随着像素的缩小而降低，从而使信号电荷的检测变得困难。

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。

佳能的专有技术使SPAD图像传感器的开口率保持约100%，不随像素的缩小而降低

前所未有的高速高精度测距

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。

飞行时间（ToF）测量方法通过将光发射到目标物体，并测量其反射回传感器所需要的时间，实现精确的距离测量。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纳秒及以下的范围内进行，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。

飞行时间（ToF）方法测距

利用成像实现更多可能

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。与通过逐个激活传感器连续像素行进行曝光的卷帘快门不同，这款SPAD图像传感器通过全局快门同时控制所有像素的曝光，将曝光时间缩短至3.8纳秒，可在1位输出中实现高达每秒24000帧（FPS）的超高帧速率。这使得传感器能够在极短的时间内实现快速运动的慢动作捕捉。

因此，这项技术具有对整个事件或场景进行精细细节捕捉的能力，提供了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。

AR/VR以及自动驾驶领域的潜在应用

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。

AR/VR需要将虚拟图像叠加呈现在真实场景中，利用SPAD图像传感器快速获取精确的3D空间信息，可以实现更精确的实时位置对准。此外，业界对SPAD图像传感器的更广泛应用也寄予厚望，希望可以利用它解决自动驾驶设计中最大的挑战之一：测量车辆与其附近的人和物体之间的距离。

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”。

而在此之前，业界普遍认为3D相机很难实现100万像素的高分辨率。

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。

延伸阅读：

《飞行时间（ToF）传感器技术及应用-2020版》

《传感应用的VCSEL技术及市场-2021版》