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单光子雪崩二极管SPAD图像传感器成为市场趋势的分析

图像传感器发展趋势

从CCD出现至今，图像传感器已经经历50多年的发展，形成CMOS和CCD并存的局面，目前在消费电子、安防、汽车、工业等领域，高集成度、低成本的CMOS图像传感器已经成为主流，但在科研、军用、以及高端医疗等领域，具有更高灵敏度、更高动态范围的CCD还是处于无法取代的地位。而即便是CMOS传感器占绝对主导地位的消费电子、安防、汽车等领域，对高灵敏高动态范围的传感器也有着强烈需求，特别是安防和汽车，灵敏度和动态范围是进一步提升产品性能的基础。

CCD图像传感器，来自Teledyne

所以开发结合集成CMOS和CCD两者优点的图像传感器，即开发高灵敏度、高集成度、高动态范围并且低成本的图像传感器，是行业的发展方向。当前具有sCMOS、EMCCD、ICCD等技术能够部分兼顾以上需求，但高昂的成本让这些产品只能在非常有限的高端领域应用。

SPAD图像传感器

有没有一种技术能够集以上优势特点于一体同时兼顾成本呢？有，SPAD图像传感器就是这种技术。

纵观各种图像传感器可以看到，放大和增益是提高灵敏度和信噪比的重要手段，无论sCMOS，iCCD，EMCCD，都是采用放大或增益提高灵敏度。

而相比以上三种器件，SPAD是一种更理想的高增益传感器，在内部百万倍增益的驱动下可以轻松实现单光子探测，带来极高灵敏度。另一方面，SPAD可以基于CMOS工艺实现，这带来两个重要特征，一是能够轻松实现传感器和数字电路的集成，可以完成各种处理功能的片内集成；二是其生产方式与CMOS图像传感器无异，可以实现低成本大规模量产。

SPAD雪崩倍增效应，产生超过1000000倍增益，图片来自佳能

同时采用SPAD做图像传感器还有另一个优势，那就是SPAD对光子响应过程鲜明的具有数字特征，SPAD接收到一个光子将产生一个快速脉冲，该脉冲可以直接驱动后端计数器进行计数，所以可以在像素层面实现光子计数，即像素接收到一个光子就计“1”，没有接收到光子就计“0”，这个特征使得传感器可以直接对光子信号数字化，大幅缩****号数字化过程，降低次生噪声。

基于SPAD的图像传感器相比CMOS，CCD具有如下优势：

1. 具备高灵敏度

2. 高响应速度和高帧率

3. 更宽的动态范围

4. 读出噪声低
因此SPAD图像传感器技术越来越受到产业界和科研界重视，其中，AQUA laboratory于2019年发布一款产品512×512像素SPAD图像传感器，帧率达到97.7kfps，并成功用于荧光显微镜。佳能于2021年发布了一款320万像素SPAD图像传感器，是当前业界最高分辨率的产品。

佳能开发的320万像素SPAD图像传感器

佳能320万像素SPAD图像传感器成像效果，可以看出其展现出极佳的灵敏度，在肉眼感知限以下能够进行清晰成像。

主要应用领域

SPAD图像传感器具备的高灵敏度、宽动态范围、高帧率等特性，使其在安防监控、夜视系统、生物医疗、机器视觉等领域具备巨****展潜力。

随着时间的推移，行业内逐步出现了各种像素的SPAD图像传感器。

参考滨松（HAMAMATSU）的图像传感器的型号，各种过去和未来市场需要各种像素的图像传感器将快速出现并迭代。