单光子雪崩二极管(SPAD)面阵传感器主要应用在直接飞行时间(dToF)3D传感领域,世瞳微另辟蹊径,对SPAD面阵的成像特性进行了探索,此次发布的芯片型号为HHC0101, 分辨率120 x 120像素, 传感器尺寸为1/3英寸,具有高感度、低暗噪声、天然高动态等特性,可用于RGB彩色成像,在暗光和高动态场景等场景下,相比传统CMOS图像传感器(CIS)具备优势。
世瞳(上海)微电子科技有限公司(以下简称“世瞳”)近日发布了其第一款SPAD面阵芯片原型(Single Photon Avalanche Diode, SPAD):HHC0101,并展示了HHC0101用于彩色成像的Demo效果,在HDR场景中,HHC0101成像的动态范围表现,远超常规CMOS图像传感器。
目前SPAD面阵的主要应用领域为dToF 3D传感,其单光子雪崩效应配合高精度的时间数字转换器(TDC,10~100ps级别精度),提供了超高的灵敏度以及时间分辨能力,使得SPAD dToF成为3D传感领域最具潜力的技术。在消费电子领域,苹果于2020年在iPad Pro及后续的iPhone Pro机型上陆续搭载了SPAD dToF传感器(Lidar Scanner),开创了先河,未来有望在AR/VR领域迎来爆发;在车载领域,已有多家头部激光雷达厂商将目光瞄准了SPAD面阵,尤其是去年Sony发布了车载激光雷达专用的SPAD dToF传感器 IMX459,将大大加速SPAD在激光雷达领域的商业落地。
除了3D传感,SPAD也可以用于2D成像。2021年,Sony和Canon分别发表了学术论文,展示了SPAD面阵用于2D成像的效果,引起了业界广泛关注。
世瞳本次发布的SPAD面阵芯片HHC0101,其分辨率为120 x 120像素, 光学靶面尺寸为1/3英寸。HHC0101展现了不错的RGB成像效果,如图2所示。在HDR场景设置中,高亮的LED灯珠与标准24色卡中的黑色色块和黑色字体部分的亮度比例超过了96dB,而常规CIS单帧的动态范围(Dynamic Range)一般在60dB左右。通过对比可以发现,普通相机拍摄的图片中,高亮的LED灯珠对应的像素由于饱和而连成了一片,而HHC0101拍摄的图片中,LED灯珠部分SPAD像素并未饱和,灯芯清晰可见,如图3所示。
图3 HDR场景图片,右上角为高亮的LED灯珠:a) HHC0101所拍摄,LED部分未过曝;b)工业相机拍摄,10ms曝光,LED部分已严重过曝溢出;c)工业相机拍摄,为使LED部分像素不过曝,曝光时间为0.1ms。
据悉,世瞳是国内首家探索SPAD面阵传感器在成像领域应用的公司。通过搭建基于HHC0101的成像系统Demo,积累了关于SPAD成像的宝贵Knowhow,并计划在下一颗芯片中合入优化设计,包括小像素、分辨率、DCR、DeadTime、PRNU以及时序控制等,进一步提升SPAD面阵的成像能力。