日本佳能宣布成功研發(fā)出全球首款100萬像素單光子雪崩二極管圖像傳感器

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、自動(dòng)駕駛、超高幀速拍攝、自動(dòng)化機(jī)器人等數(shù)字革命，為人們的生活拓展了無限可能。而賦能這一切的關(guān)鍵器件之一便是“圖像傳感器”，它們是一種將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件。據(jù)麥姆斯咨詢此前報(bào)道，2020年6月，日本佳能（Canon）宣布成功研發(fā)出全球首款100萬像素單光子雪崩二極管（SPAD）圖像傳感器，一時(shí)間業(yè)界全球矚目。

光子計(jì)數(shù)

SPAD圖像傳感器是一種特殊的圖像傳感器?！皥D像傳感器”一詞會讓人馬上想到數(shù)碼相機(jī)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(shí)。不過，CMOS圖像傳感器的每個(gè)像素是測量給定時(shí)間內(nèi)到達(dá)像素的光量，而SPAD圖像傳感器則測量到達(dá)像素的每個(gè)光子。SPAD圖像傳感器在其每個(gè)像素內(nèi)放置了一個(gè)二極管。每一個(gè)二極管在接收到一個(gè)入射的光子時(shí)，都能將這個(gè)光子轉(zhuǎn)變成載流子的“雪崩效應(yīng)”，從而產(chǎn)生一個(gè)大的電脈沖信號。這種從單光子產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)的能力，在圖像捕捉時(shí)可以提供更高的靈敏度，和更高的距離測量精度。

CMOS圖像傳感器和SPAD圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)對比

CMOS圖像傳感器通過測量特定時(shí)間范圍內(nèi)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(jìn)入像素。而SPAD圖像傳感器對單個(gè)光子進(jìn)行數(shù)字計(jì)數(shù)，使得電子噪聲很難進(jìn)入，能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱信號的高精度檢測，獲得更清晰的成像。

開口率接近100%，突破像素上限

在此之前，人們一直認(rèn)為很難構(gòu)建高像素?cái)?shù)的SPAD圖像傳感器。因?yàn)镾PAD圖像傳感器每個(gè)像素上的感測區(qū)域已經(jīng)很小，要在傳感器中整合更多像素需要使像素更小，這將導(dǎo)致感測區(qū)域變得更小，進(jìn)而導(dǎo)致更少的光子進(jìn)入傳感器，這一矛盾也是大問題。

具體來說，傳統(tǒng)SPAD圖像傳感器每個(gè)像素都需要自己的存儲器或計(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，因此其結(jié)構(gòu)要求相鄰像素上的不同感測區(qū)域之間必須留有一些空間。對應(yīng)的，開口率（aperture ratio）會隨著像素的縮小而降低，從而使信號電荷的檢測變得困難。

為此，佳能采用了一種通過商用CMOS圖像傳感器量產(chǎn)而掌握的專有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)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?cái)?shù)增加，也能夠捕獲所有進(jìn)入的光子而不發(fā)生任何泄漏。其結(jié)果實(shí)現(xiàn)了前所未有的100萬像素SPAD圖像傳感器。

佳能的專有技術(shù)使SPAD圖像傳感器的開口率保持約100%，不隨像素的縮小而降低

前所未有的高速高精度測距

佳能開發(fā)的這款100萬像素SPAD圖像傳感器的時(shí)間分辨率高達(dá)100皮秒，可以實(shí)現(xiàn)極快的信息處理，使得超快運(yùn)動(dòng)物體的捕捉成為可能。這款傳感器還可以利用其“高速響應(yīng)”特性進(jìn)行高精度距離測量，包括3D測量。

飛行時(shí)間（ToF）測量方法通過將光發(fā)射到目標(biāo)物體，并測量其反射回傳感器所需要的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確的距離測量。由于光的傳播速度非常快，因此利用ToF方法的距離計(jì)算必須在1納秒及以下的范圍內(nèi)進(jìn)行，從而需要能夠精確實(shí)現(xiàn)這種高速響應(yīng)的光學(xué)傳感器。佳能開發(fā)的這款SPAD圖像傳感器能夠在納秒或更低量級的時(shí)間內(nèi)檢測返回光，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光傳感器無法實(shí)現(xiàn)的ToF測量。

飛行時(shí)間（ToF）方法測距

利用成像實(shí)現(xiàn)更多可能

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(dòng)物體的視頻，同時(shí)確保物體的形狀準(zhǔn)確無失真。與通過逐個(gè)激活傳感器連續(xù)像素行進(jìn)行曝光的卷簾快門不同，這款SPAD圖像傳感器通過全局快門同時(shí)控制所有像素的曝光，將曝光時(shí)間縮短至3.8納秒，可在1位輸出中實(shí)現(xiàn)高達(dá)每秒24000幀（FPS）的超高幀速率。這使得傳感器能夠在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的慢動(dòng)作捕捉。

因此，這項(xiàng)技術(shù)具有對整個(gè)事件或場景進(jìn)行精細(xì)細(xì)節(jié)捕捉的能力，提供了廣泛的用途和應(yīng)用潛力，例如對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行清晰、安全、持續(xù)的反應(yīng)分析，探測雷擊等自然現(xiàn)象，物體墜落，沖擊損傷，以及其它肉眼無法精確觀察的事件等。

這款SPAD圖像傳感器能夠捕捉幾乎瞬間發(fā)生的高速現(xiàn)象，上圖為慢動(dòng)作圖像展示

AR/VR以及自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

通過ToF方法進(jìn)行距離測量，佳能的這款SPAD圖像傳感器實(shí)現(xiàn)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(yīng)對多個(gè)物體重疊的復(fù)雜場景。

AR/VR需要將虛擬圖像疊加呈現(xiàn)在真實(shí)場景中，利用SPAD圖像傳感器快速獲取精確的3D空間信息，可以實(shí)現(xiàn)更精確的實(shí)時(shí)位置對準(zhǔn)。此外，業(yè)界對SPAD圖像傳感器的更廣泛應(yīng)用也寄予厚望，希望可以利用它解決自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)之一：測量車輛與其附近的人和物體之間的距離。

佳能這款SPAD圖像傳感器的成功開發(fā)，意味著能夠識別深度信息的3D相機(jī)的分辨率可以達(dá)到100萬像素。這一性能可以為人類未來社會依賴的智能機(jī)器人等設(shè)備提供高性能的“慧眼”。

而在此之前，業(yè)界普遍認(rèn)為3D相機(jī)很難實(shí)現(xiàn)100萬像素的高分辨率。

佳能的這項(xiàng)研發(fā)成果未來將賦能很多超越想象的未知服務(wù)和產(chǎn)品。它們可以很容易地集成進(jìn)入各種設(shè)備，即使在完全黑暗的環(huán)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(dòng)駕駛汽車和AR/VR等設(shè)備的3D環(huán)境感知應(yīng)用中極具前景。

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