SPAD全彩图像传感器：单光子探测技术如何重塑视觉感知

传统观念中，单光子雪崩二极管（SPAD）主要用于激光雷达（LiDAR）等深度感知场景，而彩色成像则被认为是CMOS图像传感器（CIS）的专属领域。然而，近年来从学术研究到产业落地的一系列突破表明，SPAD不仅能做全彩成像，更在极弱光、高动态范围（HDR）和高速场景中展现出超越传统CMOS的潜力。1. SPAD的工作原理与核心优势1.1 与传统CMOS的本质区别传统CMOS图像传感器采用积分型光电二极管。在曝光时间内，光电二极管将入射光子转换为电子，并累计在“势阱”中。曝光结束后，通过模数转换器（ADC）读出累积的电荷量。这种方式在弱光下容易受到读出噪声的影响，在强光下则面临势阱饱和的困境，动态范围受限。SPAD的工作原理则完全不同。它工作在盖革模式（反向偏置电压高于击穿电压），单个光子入射到感光区域后，会触发“雪崩倍增”效应——一个光生载流子通过碰撞电离，在极短时间内（皮秒级）产生数百万个电子，形成一个可被轻易检测的电流脉冲。这意味着SPAD对单个光子具有“数字式”的响应：要么探测到光子（输出1），要么没有（输出0）。1.2 核心性能优势这种单光子探测能力赋予SPAD三项关键优势：极致灵敏度：SPAD能够探测到传统CMOS无法感知的极弱光。佳能已研发出仅需传统CMOS 1/10光线即可清晰成像的SPAD传感器，320万像素的SPAD传感器预计2022年下半年量产。这相当于在肉眼几乎看不见的黑暗环境中，SPAD依然能捕捉明亮、清晰的彩色图像。超高动态范围（HDR）：传统CM