佳能開(kāi)發(fā)SPAD圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)1百萬(wàn)像素的數(shù)字圖像分辨率

佳能公司宣布，該公司已開(kāi)發(fā)了世界上首個(gè)單光子雪崩二極管（SPAD）的圖像與能夠捕獲100萬(wàn)像素的圖像信號(hào)放大的像素傳感器。SPAD圖像傳感器非常適合諸如二維相機(jī)之類的應(yīng)用，這些相機(jī)可在極短的時(shí)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(jī)中使用的潛力，因?yàn)樗鼈兡軌颢@取有關(guān)它們與被攝對(duì)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(jì)獨(dú)特的圖像傳感器，其中每個(gè)像素都具有一個(gè)電子元素。當(dāng)單個(gè)光子（稱為光子）到達(dá)像素時(shí)，它就會(huì)倍增（就像產(chǎn)生“雪崩”），從而產(chǎn)生單個(gè)大電脈沖。從單個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)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(cè)量之類的優(yōu)勢(shì)。

佳能公司開(kāi)發(fā)的SPAD圖像傳感器克服了以高像素?cái)?shù)實(shí)現(xiàn)這種效果的長(zhǎng)期難題。通過(guò)采用新的電路技術(shù)，佳能的傳感器使用一種稱為光子計(jì)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)1百萬(wàn)像素的數(shù)字圖像分辨率。此外，該傳感器采用全局快門(mén)，可以同時(shí)控制每個(gè)像素的曝光。曝光時(shí)間可以縮短至3.8納秒2，從而可以實(shí)現(xiàn)清晰無(wú)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(dá)24，000幀（FPS）的圖像，從而可以在極短的時(shí)間內(nèi)以慢動(dòng)作的方式捕捉快速運(yùn)動(dòng)。

由于其能夠捕獲整個(gè)事件和現(xiàn)象的精細(xì)細(xì)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(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(wú)法精確觀察到。

該傳感器還具有高達(dá)100皮秒2的高精度時(shí)間分辨率，使其能夠以超高精度確定光子到達(dá)像素的確切時(shí)間。利用此功能，該傳感器能夠進(jìn)行飛行時(shí)間距離測(cè)量。而且，憑借1百萬(wàn)像素的高分辨率和高速圖像捕獲，它還能夠在多個(gè)對(duì)象重疊的情況下準(zhǔn)確執(zhí)行3D距離測(cè)量-在自動(dòng)駕駛汽車的距離測(cè)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(kāi)發(fā)的SPAD圖像傳感器使3D相機(jī)能夠識(shí)別深度信息，從而達(dá)到1兆像素的分辨率，有望迅速將此類相機(jī)用作高性能機(jī)器人設(shè)備的“眼睛”。展望未來(lái)，佳能將通過(guò)不斷發(fā)展其創(chuàng)新的圖像傳感器技術(shù)來(lái)努力預(yù)測(cè)行業(yè)需求，進(jìn)一步擴(kuò)大可見(jiàn)的可能性，通過(guò)高精度的信息檢測(cè)促進(jìn)科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展，并為佳能的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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(gè)像素內(nèi)放置了一個(gè)二極管。每個(gè)二極管在接收到單個(gè)入射光子時(shí)，便能夠?qū)⒃摴庾幼兂呻娮拥摹把┍馈?，從而產(chǎn)生單個(gè)大的電脈沖信號(hào)。具有將單個(gè)光子轉(zhuǎn)換成多個(gè)電子的功能，該技術(shù)可以在拍攝過(guò)程中提高靈敏度，并實(shí)現(xiàn)更精確的距離測(cè)量。

SPAD傳感器根據(jù)其計(jì)數(shù)的生成脈沖數(shù)輸出信號(hào)。盡管能夠檢測(cè)單個(gè)光子，但每個(gè)像素都需要其自己的內(nèi)存或計(jì)數(shù)器，并且將光子轉(zhuǎn)換為多個(gè)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(shí)現(xiàn)小型化和增加的像素?cái)?shù)。然而，近年來(lái)，在3維堆疊技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這重新振興了該領(lǐng)域的研發(fā)工作。

近年來(lái)，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(jī)利用接近傳感器來(lái)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(cè)輻射，以早期檢測(cè)癌癥，例如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）。

對(duì)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），混合現(xiàn)實(shí)（MR），虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），機(jī)器人視覺(jué)以及監(jiān)視，太空探索，生物成像，光通信和量子計(jì)算。

光子計(jì)數(shù)

在物理學(xué)中，光子計(jì)數(shù)是指一種技術(shù)，光學(xué)傳感器通過(guò)該技術(shù)對(duì)光子粒子的數(shù)量（光的最小單位）進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定信號(hào)光的參數(shù)（例如強(qiáng)度和時(shí)間分布）。

使用常規(guī)的光電探測(cè)器，可通過(guò)電流和電壓來(lái)檢測(cè)模擬信號(hào)。同時(shí)，光子計(jì)數(shù)方法將光信號(hào)視為離散的數(shù)字信號(hào)。

光子計(jì)數(shù)將光視為數(shù)字信號(hào)，并且可以消除電子噪聲的干擾，從而可以對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行高精度檢測(cè)。另外，當(dāng)與專用處理電路一起使用時(shí)，光子計(jì)數(shù)不僅可以精確地檢測(cè)光量，而且可以精確地檢測(cè)光子的精確時(shí)間。

飛行時(shí)間測(cè)量

飛行時(shí)間（ToF）測(cè)量是一種用于確定傳感器與另一個(gè)物體之間距離的方法。距離的測(cè)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?yàn)楣庖匀绱丝斓乃俣葌鞑?，所以使用ToF方法進(jìn)行距離計(jì)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(jìn)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(dá)100皮秒的高精度時(shí)間分辨率，從而能夠以超高精度確定光子到達(dá)像素的確切時(shí)間。利用此功能，該傳感器能夠進(jìn)行飛行時(shí)間距離測(cè)量。當(dāng)通過(guò)為發(fā)光設(shè)備（或帶有專用傳感器的相機(jī)）配備SPAD圖像傳感器來(lái)進(jìn)行ToF測(cè)量時(shí)，脈沖光射向物體與返回到傳感器的光之間的持續(xù)時(shí)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(cè)量包括3D距離在內(nèi)的深度信息。

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