用SPAD也能做全彩图像传感器？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）单光子雪崩二极管（SPAD）是一种具备单光子级探测能力的特殊半导体光电器件。其核心功能是“捕捉单个光子并将其转化为可探测的电信号”，本质是一种对光信号灵敏度达到“极限水平”的探测器，广泛用于极弱光场景下的光信号检测与分析。

如果将每一个SPAD看成是CMOS图像传感器中的一个像素，那么当多个SPAD组成阵列，那么也能实现成像的能力。比如在激光雷达中，接收器有时就会用到SPAD阵列。

SPAD的核心机制是计数单个光子的数量，而不直接区分光子的波长（颜色）。这使得典型SPAD更适合于低光检测、时间飞行（ToF）测量等应用，而非彩色成像。

图片来源：佳能

但有意思的是，佳能此前推出了一款能够彩色成像的SPAD传感器。根据佳能的介绍，这种新型传感器与传统的CMOS传感器不同，它利用光的粒子特性，通过计数单个光子来实现成像，而不是积累光量。这种技术的主要实现原理是：当一个光子进入像素时，会触发雪崩倍增过程（avalanche multiplication），瞬间放大电子信号，从而将每个光子转换为一个电信号。这种数字计数方式避免了传统传感器中常见的电噪声干扰，使得在低光环境下也能获得清晰图像。

SPAD传感器的核心结构采用了独特的像素设计，能够在像素内部反射光子，从而将敏感区域扩展到几乎100%的像素面积。这解决了传统SPAD传感器中只有特定电场敏感区才能检测光子的局限性，同时实现了像素小型化和高灵敏度的平衡。具体实现过程包括：

光子检测：光子进入像素后，激发电子-空穴对，在高电场下引发雪崩倍增，快速产生大量电子，形成可检测的信号脉冲。

猝灭（Quenching）：虽然页面中未详细描述，但隐含在雪崩过程管理中，用于快速重置二极管，以便连续检测后续光子，确保传感器的高速响应。

时间飞行测量（Time-of-Flight）：传感器以100皮秒（10^-10秒）的精度处理信息，能够精确测量光子的到达时间，支持高速成像和距离测量应用，例如捕捉光粒子以约30万公里/秒的速度运动的轨迹。

那么它是如何实现彩色成像？佳能表示，这是通过在SPAD中光子计数机制与滤镜结合，每个过滤后的像素计数特定颜色的光子数量，后续通过信号处理算法（如去马赛克处理，demosaicing）重建完整的彩色图像。这克服了传统SPAD的黑白局限，使其能处理颜色数据。

最终佳能实现了世界最高的320万像素用于视频捕捉的SPAD传感器，传感器尺寸为13.2mm × 9.9mm（一英寸），像素间距 6.39 μm，结合反射式架构，单位面积的光子捕捉能力是传统 SPAD 的 3-5 倍，支持全高清（约207万像素）及更高分辨率的彩色成像。在相同光照条件下，其检测效率相当于像素面积大10倍的CMOS传感器，能够在极暗环境中捕捉彩色图像。同时其数字计数机制使传感器能够处理极快现象，适用于慢动作捕捉高速运动。

相比CMOS传感器，SPAD通过数字光子计数显著降低了噪声影响，实现更小的尺寸下更高的性能。在低光条件下，它能模拟明亮环境下的视觉效果，适用于夜视、监控和自动驾驶等场景。这款传感器也已经被用到远程监控摄像头MS-500上，专为在弱光环境下拍摄而设计，能清晰地捕捉到远处的目标，并将其以全高清彩色形式呈现出来。

而最近灵明光子在一场研讨会上也表示，全彩SPAD传感器将会作为激光雷达的第3.5代方案，介于固态激光雷达和RGBD之间，针对高帧率（＞500FPS）和弱光RGB，以及对强光表现要求不高的应用。

从技术特性来看，全彩SPAD传感器未来有一定的市场空间，在一些特定需求的场景下会发挥出非常大的优势。但与传统的CIS和激光雷达相比，全彩SPAD传感器在自动驾驶领域目前看来替代的可能性不大。