佳能发布全球首款百万像素SPAD图像传感器

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来源：eefocus

佳能近日发布了全球首款 100 万像素 SPAD（全称为 SinglePhotonAvalancheDiode，即单光子雪崩二极管）图像传感器。

该图像传感器由佳能和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）联合开发，克服了长期以来的高像素数难题。SPAD 图像传感器不仅是二维相机等应用的理想选择，还具有在三维相机中使用的潜力，因为它能够获得关于相机与被拍摄物体之间的距离来作为图像数据信息。

这款 SPAD 图像传感器通过应用新的电路技术，采用了一种被称为光子计数的方法实现了 100 万像素的数字图像分辨率。此外，该传感器还采用了全局快门，可以同时控制每个像素的曝光。曝光时间缩短至 3.8 纳秒，从而实现清晰无失真的图像捕捉。此外，该传感器能够支持高达每秒 24000 帧（FPS）1 位输出，从而能够在极短的时间内实现快速运动的慢动作捕捉。得益于其对整个事件或场景的精细细节捕捉能力，这项技术具有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。

据了解，SPAD 传感器能够探测最微弱的光，可达光子量级水平的能量。这主要归功于电子在高压加速到高速时产生的雪崩效应。即在雪崩光电二极管的 p-n 结上施加一个非常高的反向偏压，使结区产生很强的电场，当光照射到 p-n 结时所激发的光生载流子进入结区后，在强电场中会受到加速而获得足够的动能，在高速运动中与晶格发生碰撞，使晶格中的原子发生电离。通过碰撞电离产生的电子空穴对称为二次电子空穴对。新产生的电子空穴对在强电场下又被加速，获得足够的能量再次与晶格碰撞，产生新的电子空穴对，这个过程不断往复，使 p-n 结内载流子迅速增加，电流随之急剧增多，这种现象成为雪崩效应。这种从单光子产生载流子倍增效应的能力，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。

这款 100 万像素 SPAD 传感器还具有高达 100 皮秒的时间分辨率，使其能够以超高精度探测光子到达像素的精确时间。利用该特性，这款 SPAD 传感器能够实现精确的飞行时间距离测量。更重要的是，借助 100 万像素的高分辨率和高速图像捕捉，它还能够在多个对象重叠的情况下，精确地进行 3D 距离测量，非常适用于自动驾驶汽车、扩展现实（xR——增强现实 AR、混合现实 MR、虚拟现实 VR）等设备的 3D 环境感知应用。

佳能公司开发的这款 SPAD 图像传感器，使深度信息捕捉 3D 相机达到了 100 万像素的分辨率，有望使这类可以充当高性能机器人“眼睛”的 3D 相机迅速扩大应用。展望未来，佳能将继续推进其创新的图像传感器技术，进一步拓展机器视觉能力，通过高精度的信息捕捉推动科学和工业的发展，为尚未探索的领域发展作出贡献。