電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）單光子雪崩二極管（SPAD）是一種具備單光子級探測能力的特殊半導(dǎo)體光電器件。其核心功能是“捕捉單個光子并將其轉(zhuǎn)化為可探測的電信號”，本質(zhì)是一種對光信號靈敏度達(dá)到“極限水平”的探測器，廣泛用于極弱光場景下的光信號檢測與分析。

如果將每一個SPAD看成是CMOS圖像傳感器中的一個像素，那么當(dāng)多個SPAD組成陣列，那么也能實(shí)現(xiàn)成像的能力。比如在激光雷達(dá)中，接收器有時就會用到SPAD陣列。

SPAD的核心機(jī)制是計(jì)數(shù)單個光子的數(shù)量，而不直接區(qū)分光子的波長（顏色）。這使得典型SPAD更適合于低光檢測、時間飛行（ToF）測量等應(yīng)用，而非彩色成像。

圖片來源：佳能

但有意思的是，佳能此前推出了一款能夠彩色成像的SPAD傳感器。根據(jù)佳能的介紹，這種新型傳感器與傳統(tǒng)的CMOS傳感器不同，它利用光的粒子特性，通過計(jì)數(shù)單個光子來實(shí)現(xiàn)成像，而不是積累光量。這種技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)原理是：當(dāng)一個光子進(jìn)入像素時，會觸發(fā)雪崩倍增過程（avalanche multiplication），瞬間放大電子信號，從而將每個光子轉(zhuǎn)換為一個電信號。這種數(shù)字計(jì)數(shù)方式避免了傳統(tǒng)傳感器中常見的電噪聲干擾，使得在低光環(huán)境下也能獲得清晰圖像。

SPAD傳感器的核心結(jié)構(gòu)采用了獨(dú)特的像素設(shè)計(jì)，能夠在像素內(nèi)部反射光子，從而將敏感區(qū)域擴(kuò)展到幾乎100%的像素面積。這解決了傳統(tǒng)SPAD傳感器中只有特定電場敏感區(qū)才能檢測光子的局限性，同時實(shí)現(xiàn)了像素小型化和高靈敏度的平衡。具體實(shí)現(xiàn)過程包括：

光子檢測：光子進(jìn)入像素后，激發(fā)電子-空穴對，在高電場下引發(fā)雪崩倍增，快速產(chǎn)生大量電子，形成可檢測的信號脈沖。

猝滅（Quenching）：雖然頁面中未詳細(xì)描述，但隱含在雪崩過程管理中，用于快速重置二極管，以便連續(xù)檢測后續(xù)光子，確保傳感器的高速響應(yīng)。

時間飛行測量（Time-of-Flight）：傳感器以100皮秒（10^-10秒）的精度處理信息，能夠精確測量光子的到達(dá)時間，支持高速成像和距離測量應(yīng)用，例如捕捉光粒子以約30萬公里/秒的速度運(yùn)動的軌跡。

那么它是如何實(shí)現(xiàn)彩色成像？佳能表示，這是通過在SPAD中光子計(jì)數(shù)機(jī)制與濾鏡結(jié)合，每個過濾后的像素計(jì)數(shù)特定顏色的光子數(shù)量，后續(xù)通過信號處理算法（如去馬賽克處理，demosaicing）重建完整的彩色圖像。這克服了傳統(tǒng)SPAD的黑白局限，使其能處理顏色數(shù)據(jù)。

最終佳能實(shí)現(xiàn)了世界最高的320萬像素用于視頻捕捉的SPAD傳感器，傳感器尺寸為13.2mm × 9.9mm（一英寸），像素間距 6.39 μm，結(jié)合反射式架構(gòu)，單位面積的光子捕捉能力是傳統(tǒng) SPAD 的 3-5 倍，支持全高清（約207萬像素）及更高分辨率的彩色成像。在相同光照條件下，其檢測效率相當(dāng)于像素面積大10倍的CMOS傳感器，能夠在極暗環(huán)境中捕捉彩色圖像。同時其數(shù)字計(jì)數(shù)機(jī)制使傳感器能夠處理極快現(xiàn)象，適用于慢動作捕捉高速運(yùn)動。

相比CMOS傳感器，SPAD通過數(shù)字光子計(jì)數(shù)顯著降低了噪聲影響，實(shí)現(xiàn)更小的尺寸下更高的性能。在低光條件下，它能模擬明亮環(huán)境下的視覺效果，適用于夜視、監(jiān)控和自動駕駛等場景。這款傳感器也已經(jīng)被用到遠(yuǎn)程監(jiān)控攝像頭MS-500上，專為在弱光環(huán)境下拍攝而設(shè)計(jì)，能清晰地捕捉到遠(yuǎn)處的目標(biāo)，并將其以全高清彩色形式呈現(xiàn)出來。

而最近靈明光子在一場研討會上也表示，全彩SPAD傳感器將會作為激光雷達(dá)的第3.5代方案，介于固態(tài)激光雷達(dá)和RGBD之間，針對高幀率（＞500FPS）和弱光RGB，以及對強(qiáng)光表現(xiàn)要求不高的應(yīng)用。

從技術(shù)特性來看，全彩SPAD傳感器未來有一定的市場空間，在一些特定需求的場景下會發(fā)揮出非常大的優(yōu)勢。但與傳統(tǒng)的CIS和激光雷達(dá)相比，全彩SPAD傳感器在自動駕駛領(lǐng)域目前看來替代的可能性不大。