佳能开发出世界最高 3.2 兆像素的 SPAD 传感器，创新低光成

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东京，2021 年 12 月 15 日——佳能公司今天宣布，该公司凭借可有效捕捉和大幅增加光的专有像素架构，成功开发出一款超小型 13.2 毫米 x 9.9 毫米 SPAD 传感器，能够捕捉世界上最高的1分辨率的 3.2 兆像素图像 — 比全高清（约 2.07 兆像素）更高的分辨率，即使在光线不足的环境中也是如此。新传感器的制造将于 2022 年下半年开始。此外，详细介绍公司研究结果的研究论文已被选为IEDM 3会议的极具竞争力的出版物Late News Papers 2 ，于 2021 年 12 月 11 日开幕.

                               
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13.2 毫米 × 9.9 毫米 3.2 兆像素 SPAD 传感器
*所示有效像素部分的大小

SPAD 传感器是一种设计独特的图像传感器，其中每个像素都拥有一个电子元件。当一个被称为光子的光粒子到达一个像素时，它会被倍增——就像产生“雪崩”一样——从而产生一个大的电脉冲。对于 CMOS 传感器，累积电荷的读数包含电子噪声，这会降低图像质量，这是由于测量累积光的过程。同时，使用 SPAD 传感器，噪声不会干扰光作为电信号的读出。这样可以清晰地捕获没有信号噪声的对象，并提供诸如在图像捕获过程中更高的灵敏度和高精度距离测量4等优点。

新开发的 SPAD 传感器采用专有的像素架构，可反射像素内的光子，以有效检测整个有效像素范围内的光子。在同等光线下，这款 SPAD 传感器可以捕获与传统 CMOS 传感器相同的图像，而只需要 1/10 的成像面积。这使得即使在小型设备中也可以安装的超小型设计成为可能，并大大提高了灵敏度，包括近红外光谱上的光，并在 0.002 勒克斯的低光照条件下实现了 3.2 兆像素的视频拍摄5——比没有星星的夜空还要黑暗。通过为专为低光和监控应用而设计的摄像机配备这种新型 SPAD 传感器，即使是低光环境的视频片段也可以像在明亮区域中记录一样被观看，从而能够识别对象的移动，就像用肉眼观看一样光线充足的环境

从 2022 年下半年开始，佳能将开始生产 SPAD 传感器，用于公司面向安全的网络摄像机产品。随着这种创新传感器的加入，佳能的产品将获得竞争优势，并为实现更安全的社会做出贡献。

此外，SPAD 传感器能够实现 100 ps（皮秒，万亿分之一秒）级别的极高信息处理速度，使其能够捕捉包括光子在内的高速运动物体。凭借超过全高清的分辨率和能够捕捉微弱光的高灵敏度，该传感器独特的快速响应功能可用于广泛的应用，包括自动驾驶汽车、医疗、诊断成像设备和科学精密测量仪器。佳能将积极拓展销售网络，以鼓励社会进一步创新和发展。

[li]1在 SPAD 传感器中。截至 2021 年 12 月 14 日。基于佳能研究。[/li][li]2提交给 IEDM 的研究论文极具竞争力（见脚注 3）。[/li][li]3国际电子器件会议，半导体领域领先的国际会议。[/li][li]4有关 SPAD 和 CMOS 传感器之间差异的更多信息，请访问佳能技术网站： https ://global.canon/en/technology/spad-sensor-2021.html[/li][li]5来自星星的光估计为 0.02 勒克斯。无星夜环境中的环境光估计为 0.007 勒克斯。[/li]

SPAD 传感器的示例应用



该 SPAD 传感器安装在原型相机* 中，用于以 1/30 秒的曝光率捕捉视频。下面的三幅图像是从捕获的视频中提取的静止图像。

使用 SPAD 传感器，研究人员成功地在室内环境中以 3.2 兆像素（大于全高清）的分辨率捕获了彩色图像 (a)。在 0.002 勒克斯的条件下，比无星的夜晚环境（约 0.007 勒克斯）更暗，研究人员能够获得背景分辨率测试图案的清晰单色强度图像，以及节拍器针或二手针等移动物体。一个时钟（b-1）。此外，可以识别对象的图像是在一个特制的暗室中获得的，暗室的光线条件为 0.0003 勒克斯，肉眼无法辨别周围的物体 (b-2)。

                               
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(a) 室内场景

                               
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(b-1) 0.002 勒克斯
*比无星夜条件更暗

                               
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(b-2) 0.0003 lux
*相当于肉眼无法感知物体的条件

[li]*使用镜头：佳能 EF50mm f/1.2L USM（2007 年 1 月发布）。图像 (a)：使用的 RGB 彩色滤光片。图像 (b)：未使用滤色器。图像 (a) 和 (b) 均未进行后处理。[/li]

SPAD传感器的结构和特点



在传统的背光 SPAD 传感器中，只能检测到被电场（灵敏度场）覆盖的空间内的光子，这带来了要求缩小像素尺寸并因此降低灵敏度的挑战。凭借这种新型 SPAD 传感器的专有电压累积架构，敏感区域内的空间覆盖了整个像素区域，从而增加了到达光接收像素的光子数量。这使得100%的光子利用效率成为可能，包括在近红外范围内，像素间距为6.39μm，实现了小型化和高灵敏度。因此，可以在相当于 0.002 勒克斯黑暗的无星夜空的环境下拍摄具有世界上最高分辨率 3.2 兆像素的清晰图像。

                               
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图 1. 传统 BSI SPAD 阵列（左）和 BSI 电荷聚焦 SPAD 阵列（右）的截面图和俯视布局。

此外，得益于提高光子收集效率的专有电压累积架构，该传感器在三个不同的指标上实现了卓越的性能：(1) 近红外光谱灵敏度，(2) 低噪声和 (3) 高检测速度（时间解决）。


(1) 近红外光谱灵敏度



提高 PDE（光子检测效率）或捕获更多光的能力，使这款 SPAD 传感器能够捕获更广泛的光 - 从可见光谱到近红外*光谱 - 与之前佳能开发的 SPAD 相比显着增加传感器。利用近红外光穿过物体的能力，这使得诸如在雾或其他可见度差的条件下进行监测和测量以及在工业检测过程中检测异物等应用成为可能。

[li]*一种波长接近可见光谱红色部分（700 – 2500 nm）的电磁波。虽然人眼不可见，但近红外光具有接近可见光的特性。因此，它被称为“不可见光”，被用于各种技术，包括家用电器的遥控器和红外信号传输设备。[/li]

(2) 低噪音



较低级别的噪声对应于较低的 DCR（暗计数率）。当试图降低此值时，通常会导致 PDE 降低的趋势。然而，这种新型 SPAD 传感器降低了 DCR，同时实现了 69.4% 的 PDE。


(3) 高速检测（时间分辨率）和高灵敏度



当降低时间分辨率（检测光子所需的时间）时，有一个相应的趋势表明 PDE 下降。然而，这种新型 SPAD 传感器在近红外光谱上的 940 nm 波长光中实现了 24.4% 的高 PDE，时间分辨率为 100 皮秒（十亿分之一秒）。

                               
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(1) 佳能之前开发的SPAD传感器和新开发的SPAD传感器的PDE比较

                               
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(2)单位感光面积的最大 PDE 与DCR
(Vex=2.5V)

                               
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(3) 时间分辨率（时间抖动）和 PDE
（Vex = 2.5V）的比较

这些特性有助于在黑暗环境中捕获图像，并获得与在明亮、光线充足的环境中捕获相似的结果，从而使传感器非常适合用于监控黑暗户外环境的面向安全的网络摄像机或极其黑暗的自动化制造设施等设备，如以及用于在弱光条件下进行生态研究的相机。

此外，由于能够捕捉以大约 300,000 km/s（相当于 7.5gs）的速度移动的光轨迹的时间分辨率和高灵敏度，预计该技术可用于获得高速, 高精度 3D 特殊信息，适用于自动车辆距离测量、增强现实 (AR) 和混合现实 (MR) 等应用。更重要的是，在医学领域，该传感器具有用于医学诊断成像设备、显微镜和其他设备的摄像头组件的潜力。此类设备可用于确定在极短的时间内发出微弱光的患者体内荧光物质的行为和位置，

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