【科普】佳能SPAD图像传感器分析以及和它CMOS的对比

直接把我的稿子放这儿了，想看文字版的直接看：
大家好，我是iBobby，这个视频里我会简单分析佳能SPAD传感器以及它和CMOS的对比，叠甲可以暂停看。
SPAD，single photon avalanche diode 单光子雪崩二极管。它的应用很多，本视频仅分析SPAD作为图像传感器的工作流程。首先说到图像传感器，大家肯定会想到CMOS和CCD，二者都是用光电二极管感光，把光子转换为电子，CCD我了解不多，这里只讲CMOS。CMOS的原理是这样的，这里不赘述，有需要的请观看原视频，链接在置顶评论，CMOS和SPAD的区别主要在这些部分，CMOS通过光电二极管把光子转换为电子，充入电容，增益放大器读取电容并放大，最后由模数转换器转换为数字信号。SPAD的最前方是一个雪崩光电二极管，在接收到一个光子后触发雪崩效应，放大初始信号，直到产生一个后面的事件计数器可以检测到的电流脉冲，然后事件计数器会进行+1运算，这时雪崩光电二极管会进入死时间，Dead time，注意死时间不是时间分辨率，死时间可以理解为雪崩光电二极管在重置，期间无法响应新的光子，佳能没有公布自己传感器的死时间，其他用于弱光成像的SPAD传感器的死时间从几纳秒到一百多纳秒都有，后面还会继续分析死时间与时间分辨率的区别。时间分辨率对于弱光成像影响并不大，影响大的是事件计数器的上限和死时间的长度。事件计数器输出的是数字信号，从这里开始，后处理流程就和传感器类型无关了，当然降噪模型还是要受影响的。
要了解SPAD的感光度为何如此之高而噪声很少，要先从CMOS为什么噪声多开始，你可能听过目前CMOS的噪声来源主要是散粒噪声，即光子的随机性导致的，这仅限于低感光度时，弱光情况下增益放大前信噪比就低，高倍率模拟放大后造成的放大噪声就是噪声的主要来源了，CMOS的详细知识可以看置顶评论的第二个链接。而SPAD没有增益放大这个步骤，尽管雪崩效应也属于增益放大，但它对计数的影响是远小于CMOS里高倍率模拟放大的。所以SPAD最大的噪声来源就是散粒噪声，尽管计数器、光电二极管等也会产生噪声，但很少，可以近似地理解为，它的噪声水平和CMOS在基础ISO下，比如100，是差不多。佳能的传感器总共有2档增益，具体怎么实现的没说，可能是在重置二极管前等了一段时间，但无法证实。这里有几张佳能新闻稿里的样张，可以暂停看一下，视频继续。
也没有很复杂是吧，佳能的SPAD传感器为1英寸型，分辨率最高1080p，搭载这块传感器的摄影机叫MS-500，支持录制的规格也是平平无奇，这就是一台超高感光度的摄影机。不是什么能拍出光子运动的相机。
接下来解释一下“这块传感器可以拍到光子运动轨迹”这个事情，佳能在新闻稿里说传感器时间分辨率是100皮秒，makes it possible to使其可以捕捉光子的运动，还配了一段视频，在开发故事里提到，这是实验室里拍的，没有提到用来拍摄的设备，也没说是不是MS-500的传感器，只提到这用的是SPAD传感器，设备大概率是还没有走出实验室。
最后讲一下时间分辨率和死时间，目前对于SPAD的商业化产品，ToF飞行时间测距是对时间分辨率敏感的应用之一，这类SPAD不一定需要事件计数器，而用的是时间数字转换器（TDC），注意，如有需要，这二者可以同时存在。TDC用于精确记录光子到达传感器的时间。在单像素感应时，对于时间差的感应主要受制于死时间，而多个像素感应时，尽管单像素受制于死时间，临近的像素仍然具备区分时间差的能力，这个时间差便是时间分辨率。换种说法，死时间是单个像素在一次事件触发后恢复前的不可响应时间，而时间分辨率是整个系统区分不同事件时间点的能力，二者并不相互影响。

到这里科普内容就结束了，我做这个视频的起因是几个月前看到有人发视频说佳能有个可以记录光子运动的传感器，我还以为是真的，实际上确实是真的，但评论区大部分人都误解了，以为是已经发布了的，但实际上佳能这块传感器的主要用途是弱光成像，真是造谣一张嘴辟谣跑断腿啊，我查了不少资料，也通过ChatGPT查证了很多内容，所以想总结分享出来。至于以后SPAD能不能走入民用无反相机，过几十年也许可以，目前SPAD弱光情况都能拍那么亮，我们平时碰到的场景肯定直接过曝了，要进入微单ISO调整时必不可少的。像素密度没什么问题，目前的像素密度扩展到全画幅大约是2200万像素，最重要的就是价格问题了。
好，废话说完，视频就正式结束了，我是iBobby，谢谢观看。