佳能开发出全球首个1百万像素SPAD图像传感器

SPAD图像传感器非常适合诸如二维相机之类的应用,这些相机可在极短的时间内捕获和显影静止图像和视频。这些传感器还具有在三维相机中使用的潜力,因为它们能够获取有关它们与被摄对象之间距离的信息作为图像数据。

  佳能公司宣布,该公司已开发了世界上首个单光子雪崩二极管(SPAD)的图像与能够捕获100万像素的图像信号放大的像素传感器。SPAD图像传感器非常适合诸如二维相机之类的应用,这些相机可在极短的时间内捕获和显影静止图像和视频。这些传感器还具有在三维相机中使用的潜力,因为它们能够获取有关它们与被摄对象之间距离的信息作为图像数据。

  SPAD传感器是一种设计独特的图像传感器,其中每个像素都具有一个电子元素。当单个光子(称为光子)到达像素时,它就会倍增(就像产生“雪崩”),从而产生单个大电脉冲。从单个光子产生多个电子的能力具有诸如图像捕获期间更高的灵敏度和高精度距离测量之类的优势。

  佳能公司开发的SPAD图像传感器克服了以高像素数实现这种效果的长期难题。通过采用新的电路技术,佳能的传感器使用一种称为光子计数的方法来实现1百万像素的数字图像分辨率。此外,该传感器采用全局快门,可以同时控制每个像素的曝光。曝光时间可以缩短至3.8纳秒2,从而可以实现清晰无失真的图像捕获。此外,该传感器能够以每秒1位的速度输出高达24,000帧(FPS)的图像,从而可以在极短的时间内以慢动作的方式捕捉快速运动。

  由于其能够捕获整个事件和现象的精细细节的能力,因此该技术具有广泛的用途和应用潜力,包括对化学反应进行清晰,安全和持久的分析,包括雷击的自然现象,掉落的物体,撞击和其他事件造成的损坏,肉眼无法精确观察到。

  该传感器还具有高达100皮秒2的高精度时间分辨率,使其能够以超高精度确定光子到达像素的确切时间。利用此功能,该传感器能够进行飞行时间距离测量。而且,凭借1百万像素的高分辨率和高速图像捕获,它还能够在多个对象重叠的情况下准确执行3D距离测量-在自动驾驶汽车的距离测量和抓地力等情况下很有用xR 3和类似设备的3D空间信息。

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CMOS和SPAD传感器像素结构的比较

  佳能公司开发的SPAD图像传感器使3D相机能够识别深度信息,从而达到1兆像素的分辨率,有望迅速将此类相机用作高性能机器人设备的“眼睛”。展望未来,佳能将通过不断发展其创新的图像传感器技术来努力预测行业需求,进一步扩大可见的可能性,通过高精度的信息检测促进科学和工业的发展,并为佳能的发展做出贡献。

  相关科普:

  SPAD传感器

  单光子雪崩二极管(SPAD)传感器是一种特殊配置的传感器,其中在每个像素内放置了一个二极管。每个二极管在接收到单个入射光子时,便能够将该光子变成电子的“雪崩”,从而产生单个大的电脉冲信号。具有将单个光子转换成多个电子的功能,该技术可以在拍摄过程中提高灵敏度,并实现更精确的距离测量。

  SPAD传感器根据其计数的生成脉冲数输出信号。尽管能够检测单个光子,但每个像素都需要其自己的内存或计数器,并且将光子转换为多个电子需要高压,因此需要具有足够绝缘能力的耐高压结构。这样的要求不可避免地导致更大的像素,结果,迄今为止,已经证明难以实现小型化和增加的像素数。然而,近年来,在3维堆叠技术方面取得了长足的进步,这重新振兴了该领域的研发工作。

  近年来,SPAD传感器已用于各种现有设备和设备中。当前,智能手机利用接近传感器来确定设备与周围物体之间的距离。在医学领域,这些传感器还用于检测辐射,以早期检测癌症,例如正电子发射断层扫描(PET)。

  对SPAD传感器在更广泛的技术中的应用寄予很高的期望,包括车载传感器,“xR”型设备-增强现实(AR),混合现实(MR),虚拟现实(VR),机器人视觉以及监视,太空探索,生物成像,光通信和量子计算。

  光子计数

  在物理学中,光子计数是指一种技术,光学传感器通过该技术对光子粒子的数量(光的最小单位)进行计数,从而确定信号光的参数(例如强度和时间分布)。

  使用常规的光电探测器,可通过电流和电压来检测模拟信号。同时,光子计数方法将光信号视为离散的数字信号。

  光子计数将光视为数字信号,并且可以消除电子噪声的干扰,从而可以对弱信号进行高精度检测。另外,当与专用处理电路一起使用时,光子计数不仅可以精确地检测光量,而且可以精确地检测光子的精确时间。

  飞行时间测量

  飞行时间(ToF)测量是一种用于确定传感器与另一个物体之间距离的方法。距离的测量基于光源发出的光以光速(300,000 km/s)传播,从目标物体反射并返回到传感器的速度。

  因为光以如此快的速度传播,所以使用ToF方法进行距离计算必须在1纳秒(十亿分之一秒)和一皮秒(十亿分之一秒)之间进行,因此需要具有光学传感器功能如此精确地响应这样的高速状态。

  该传感器还具有高达100皮秒的高精度时间分辨率,从而能够以超高精度确定光子到达像素的确切时间。利用此功能,该传感器能够进行飞行时间距离测量。当通过为发光设备(或带有专用传感器的相机)配备SPAD图像传感器来进行ToF测量时,脉冲光射向物体与返回到传感器的光之间的持续时间用于确定物理距离在传感器和主体之间。利用ToF方法的SPAD图像传感器可以很容易地安装在各种设备上,即使在黑暗的环境中,也可以以极高的精度测量包括3D距离在内的深度信息。

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比易烊千玺帅一点点的传感器从业者。