日本佳能公開了多件采用單光子雪崩二極管像素的傳感器專利申請

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，日本佳能（Canon）公開了多件采用單光子雪崩二極管（SPAD）像素的傳感器專利申請。顧名思義，單光子雪崩光電二極管和普通光電二極管之間的區(qū)別在于，單光子雪崩光電二極管可以捕捉并計(jì)算接收到的單個(gè)光子。

SPAD傳感器能夠探測最微弱的光，捕捉光子量級(jí)水平的能量，這無疑聽起來非常喜人，有望實(shí)現(xiàn)很多有意思的低光照攝影應(yīng)用。SPAD傳感器還能夠探測與被攝體之間的距離信息作為成像數(shù)據(jù)，因此，SAPD傳感器在基于飛行時(shí)間（ToF）原理的激光雷達(dá)（LiDAR）等3D傳感領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用潛力。目前，這些傳感器已經(jīng)常見于高端智能手機(jī)，以幫助自動(dòng)對焦，不過分辨率通常相當(dāng)有限。

近日，佳能申請的一件日本專利獲得公開（JP2021013147A），這件專利申請討論了一種堆棧式雙核像素自動(dòng)對焦（DPAF）SPAD傳感器。這意味著該技術(shù)并非用于3D傳感應(yīng)用。

盡管SPAD傳感器能夠探測單個(gè)光子，但其每個(gè)像素都需要自己的存儲(chǔ)器或計(jì)數(shù)器，并且單個(gè)光子產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)需要高電壓，因此需要具有足夠絕緣能力的耐高壓結(jié)構(gòu)。這些要求不可避免地導(dǎo)致了更大的像素，以及相當(dāng)?shù)托У膫鞲衅髟O(shè)計(jì)。

因此，佳能提出了一種堆棧式傳感器設(shè)計(jì)，從而獲得更小的像素，同時(shí)還支持雙像素自動(dòng)對焦。堆棧的下層為每個(gè)像素提供了一個(gè)比較器和一個(gè)計(jì)數(shù)器。盡管，通過專利還不清楚佳能的設(shè)計(jì)目標(biāo)，不過，具有DPAF的SPAD傳感器加上暗光視覺能力，或?qū)砗芏嘤腥さ膽?yīng)用。

佳能在這件專利的一個(gè)實(shí)施例中，討論了一種配備這類傳感器設(shè)計(jì)的數(shù)碼相機(jī)。盡管，這只是一個(gè)實(shí)施例，但結(jié)合DPAF技術(shù)，這項(xiàng)專利技術(shù)應(yīng)該是為了捕捉某種圖像，而不是3D傳感應(yīng)用。

佳能100萬像素時(shí)間門控SPAD圖像傳感器架構(gòu)

據(jù)麥姆斯咨詢此前報(bào)道，佳能在2020年年中發(fā)布了世界上第一款具有信號(hào)放大像素的100萬像素SPAD圖像傳感器。這款傳感器由佳能和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）聯(lián)合開發(fā)。該傳感器采用了全局快門，可以同時(shí)控制每個(gè)像素的曝光，并且曝光時(shí)間縮短至3.8納秒，從而實(shí)現(xiàn)清晰無失真的圖像捕捉。此外，該傳感器能夠支持高達(dá)每秒24000幀（FPS）1位輸出，從而能夠在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的慢動(dòng)作捕捉。

這款100萬像素SPAD傳感器還具有高達(dá)100皮秒的時(shí)間分辨率，使其能夠以超高精度探測光子到達(dá)像素的精確時(shí)間。利用該特性，這款SPAD傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)精確的飛行時(shí)間（ToF）距離測量。更重要的是，借助100萬像素的高分辨率和高速圖像捕捉，它還能夠在多個(gè)對象重疊的情況下，精確地進(jìn)行3D距離測量，非常適用于自動(dòng)駕駛汽車、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（xR——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR、混合現(xiàn)實(shí)MR、虛擬現(xiàn)實(shí)VR）等設(shè)備的3D環(huán)境感知應(yīng)用。

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