佳能開發(fā)SPAD圖像傳感器，實現(xiàn)1百萬像素的數(shù)字圖像分辨率

佳能公司宣布，該公司已開發(fā)了世界上首個單光子雪崩二極管（SPAD）的圖像與能夠捕獲100萬像素的圖像信號放大的像素傳感器。SPAD圖像傳感器非常適合諸如二維相機之類的應(yīng)用，這些相機可在極短的時間內(nèi)捕獲和顯影靜止圖像和視頻。這些傳感器還具有在三維相機中使用的潛力，因為它們能夠獲取有關(guān)它們與被攝對象之間距離的信息作為圖像數(shù)據(jù)。

SPAD傳感器是一種設(shè)計獨特的圖像傳感器，其中每個像素都具有一個電子元素。當(dāng)單個光子（稱為光子）到達像素時，它就會倍增（就像產(chǎn)生“雪崩”），從而產(chǎn)生單個大電脈沖。從單個光子產(chǎn)生多個電子的能力具有諸如圖像捕獲期間更高的靈敏度和高精度距離測量之類的優(yōu)勢。

佳能公司開發(fā)的SPAD圖像傳感器克服了以高像素數(shù)實現(xiàn)這種效果的長期難題。通過采用新的電路技術(shù)，佳能的傳感器使用一種稱為光子計數(shù)的方法來實現(xiàn)1百萬像素的數(shù)字圖像分辨率。此外，該傳感器采用全局快門，可以同時控制每個像素的曝光。曝光時間可以縮短至3.8納秒2，從而可以實現(xiàn)清晰無失真的圖像捕獲。此外，該傳感器能夠以每秒1位的速度輸出高達24，000幀（FPS）的圖像，從而可以在極短的時間內(nèi)以慢動作的方式捕捉快速運動。

由于其能夠捕獲整個事件和現(xiàn)象的精細細節(jié)的能力，因此該技術(shù)具有廣泛的用途和應(yīng)用潛力，包括對化學(xué)反應(yīng)進行清晰，安全和持久的分析，包括雷擊的自然現(xiàn)象，掉落的物體，撞擊和其他事件造成的損壞，肉眼無法精確觀察到。

該傳感器還具有高達100皮秒2的高精度時間分辨率，使其能夠以超高精度確定光子到達像素的確切時間。利用此功能，該傳感器能夠進行飛行時間距離測量。而且，憑借1百萬像素的高分辨率和高速圖像捕獲，它還能夠在多個對象重疊的情況下準(zhǔn)確執(zhí)行3D距離測量-在自動駕駛汽車的距離測量和抓地力等情況下很有用xR 3和類似設(shè)備的3D空間信息。

CMOS和SPAD傳感器像素結(jié)構(gòu)的比較

佳能公司開發(fā)的SPAD圖像傳感器使3D相機能夠識別深度信息，從而達到1兆像素的分辨率，有望迅速將此類相機用作高性能機器人設(shè)備的“眼睛”。展望未來，佳能將通過不斷發(fā)展其創(chuàng)新的圖像傳感器技術(shù)來努力預(yù)測行業(yè)需求，進一步擴大可見的可能性，通過高精度的信息檢測促進科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展，并為佳能的發(fā)展做出貢獻。

SPAD傳感器

單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器是一種特殊配置的傳感器，其中在每個像素內(nèi)放置了一個二極管。每個二極管在接收到單個入射光子時，便能夠?qū)⒃摴庾幼兂呻娮拥摹把┍馈?，從而產(chǎn)生單個大的電脈沖信號。具有將單個光子轉(zhuǎn)換成多個電子的功能，該技術(shù)可以在拍攝過程中提高靈敏度，并實現(xiàn)更精確的距離測量。

SPAD傳感器根據(jù)其計數(shù)的生成脈沖數(shù)輸出信號。盡管能夠檢測單個光子，但每個像素都需要其自己的內(nèi)存或計數(shù)器，并且將光子轉(zhuǎn)換為多個電子需要高壓，因此需要具有足夠絕緣能力的耐高壓結(jié)構(gòu)。這樣的要求不可避免地導(dǎo)致更大的像素，結(jié)果，迄今為止，已經(jīng)證明難以實現(xiàn)小型化和增加的像素數(shù)。然而，近年來，在3維堆疊技術(shù)方面取得了長足的進步，這重新振興了該領(lǐng)域的研發(fā)工作。

近年來，SPAD傳感器已用于各種現(xiàn)有設(shè)備和設(shè)備中。當(dāng)前，智能手機利用接近傳感器來確定設(shè)備與周圍物體之間的距離。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這些傳感器還用于檢測輻射，以早期檢測癌癥，例如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）。

對SPAD傳感器在更廣泛的技術(shù)中的應(yīng)用寄予很高的期望，包括車載傳感器，“xR”型設(shè)備-增強現(xiàn)實（AR），混合現(xiàn)實（MR），虛擬現(xiàn)實（VR），機器人視覺以及監(jiān)視，太空探索，生物成像，光通信和量子計算。

光子計數(shù)

在物理學(xué)中，光子計數(shù)是指一種技術(shù)，光學(xué)傳感器通過該技術(shù)對光子粒子的數(shù)量（光的最小單位）進行計數(shù)，從而確定信號光的參數(shù)（例如強度和時間分布）。

使用常規(guī)的光電探測器，可通過電流和電壓來檢測模擬信號。同時，光子計數(shù)方法將光信號視為離散的數(shù)字信號。

光子計數(shù)將光視為數(shù)字信號，并且可以消除電子噪聲的干擾，從而可以對弱信號進行高精度檢測。另外，當(dāng)與專用處理電路一起使用時，光子計數(shù)不僅可以精確地檢測光量，而且可以精確地檢測光子的精確時間。

飛行時間測量

飛行時間（ToF）測量是一種用于確定傳感器與另一個物體之間距離的方法。距離的測量基于光源發(fā)出的光以光速（300，000 km/s）傳播，從目標(biāo)物體反射并返回到傳感器的速度。

因為光以如此快的速度傳播，所以使用ToF方法進行距離計算必須在1納秒（十億分之一秒）和一皮秒（十億分之一秒）之間進行，因此需要具有光學(xué)傳感器功能如此精確地響應(yīng)這樣的高速狀態(tài)。

該傳感器還具有高達100皮秒的高精度時間分辨率，從而能夠以超高精度確定光子到達像素的確切時間。利用此功能，該傳感器能夠進行飛行時間距離測量。當(dāng)通過為發(fā)光設(shè)備（或帶有專用傳感器的相機）配備SPAD圖像傳感器來進行ToF測量時，脈沖光射向物體與返回到傳感器的光之間的持續(xù)時間用于確定物理距離在傳感器和主體之間。利用ToF方法的SPAD圖像傳感器可以很容易地安裝在各種設(shè)備上，即使在黑暗的環(huán)境中，也可以以極高的精度測量包括3D距離在內(nèi)的深度信息。

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