Spads sind spezielle Bildsensoren, die im Vergleich zu gewöhnlichen Photodioden auch bei geringer Lichtintensität ein deutlich stärkeres Ausgangssignal erzeugen. Die zeitliche Auflösung liegt dank des Avalanche-Effekts im Pikosekundenbereich, weshalb sie häufig in Photonen-Time-of-Arrival-Messungen und Direct-Time-of-Flight-Systemen eingesetzt werden. Weitere Anwendungen der Sensoren sind zeitkorrelierte Spektroskopie, Messung der Fluoreszenz-Lebensdauer oder Mikroskopie. Spads haben sich mittlerweile aufgrund ihres geringen Leserauschens und der Fähigkeit, einzelne Photonen mit präzisem Timing zu erkennen, auch in anderen Bildgebungsverfahren bewährt. Mit zunehmender Produktion werden die Sensoren zukünftig kostengünstiger und können dann auch mit den Herstellungskosten herkömmlicher CMOS-Sensoren konkurrieren.
Bild 2 | Die Spad-Lösung von Single Photonics hat die Elektronik direkt unter dem Spad-Array integriert, was eine Echtzeit-Datenverarbeitung direkt auf dem Sensor ermöglicht. – Bild: Singular Photonics 
Bild 3 | Die Spad Alpha von PI Imaging hat einen Spad-Bildsensor mit 1.024×1.024 Pixeln und erreicht eine Photonenzählung mit bis zu 73.000fps bei null Ausleserauschen. – Bild: PI Imaging
Spad-Sensoren & -Kameras
Der Lidar-Tiefensensors AS-DT1 von Sony Image Sensing Solutions (www.image-sensing-solutions.eu) ist aktuell der weltweit kleinste und leichteste Lidar-Tiefensensor (29x29x31mm, Gewicht 50g) und nutzt die Direct Time of Flight (dToF)-Lidar-Technologie. Das proprietäre dToF-Entfernungsmessungsmodul mit einem Spad-Sensor kann aus großen Abständen (40m Outdoor, 20m Indoor) messen und hat z.B. bei 10m eine Toleranz von ±5cm. Der Sensor soll Anfang 2026 auf den Markt kommen. ++ Spads bieten zwar erhebliche Vorteile, produzieren aber auch enorme Datenmengen. Bei einer Auflösung von 1MP kann die Datenrate bereits 100GBit/s überschreiten. Der hohe Durchsatz führt zu erheblichem Stromverbrauch und verlängerten Rechenzeiten. Ubicept (www.ubicept.com) bietet mit Flare (Flexible Light Acquisition and Representation Engine) eine Lösung hierfür. Diese verarbeitet die massiven Spad-Datenströme mithilfe anwendungsspezifischer Kodierungsschemata, welche die Datenlast reduzieren und gleichzeitig wichtige Informationen für eine präzise Bildrekonstruktion und -analyse erhalten. Die kodierten Photonenströme werden anschließend von GPU-beschleunigten APIs verarbeitet. Das Flare Camera Development Kit kombiniert einen 1MP-Farb-Spad-Sensor mit einem Hard- und Softwarepaket. ++ Die Lösung von Single Photonics (www.singularphotonics.com) hat die Elektronik direkt unter dem Spad-Array integriert, was eine Echtzeit-Datenverarbeitung direkt auf dem Sensor ermöglicht. Der Andarta-Sensor ist ein 512×512 Spad-Array und integriert mehrere Photonenerfassungsmodi, die in 3D-Stacked-CMOS-Technologie aufgebaut sind. Ein besonderes Merkmal des Sensors ist die Unterstützung der diffusen Korrelationsspektroskopie (DCS) in Bildgebungskonfigurationen. ++ Die asynchrone photonengetriebene Kamera NV04ASC-HW von NovoViz (www.novoviz.com) kombiniert die Vorteile einer Spad-Kamera – Einzelphotonenauflösung und hohe Betriebsgeschwindigkeit – mit denen einer Event based Kamera, d.h. niedrigen Ausgangsdatenraten. Die Kamera verfügt über 64×48 Spad-Pixel, eine Auflösung von 10ns und 100 Millionen Einzelphotonenbilder/s. Die Sensorarchitektur überträgt Photonenereignisse mit einer Zeitstempelauflösung im Nanosekundenbereich und Latenz über eine USB-3.0-Schnittstelle. ++ Die bereits 2021 erschienene Spad 512 Kamera von PI Imaging (www.piimaging.com) war die erste kommerziell erhältliche Spad-Kamera der Welt. Sie verfügt über einen 512×512 Spad-Bildsensor der bis zu 100.000fps im 1-Bit Mode ermöglicht und für Anwendungen zur Photonenzählung und Photonenzeitsteuerung einsetzbar ist. Die neue Spad Alpha hat einen Spad-Bildsensor mit 1.024x1.024 Pixeln und erreicht eine Photonenzählung mit bis zu 73.000fps bei null Ausleserauschen. Der Global Shutter ermöglicht Belichtungen im Nanosekundenbereich mit Belichtungsverschiebungen von 17ps. Der Bildsensor ist auf geringes Rauschen optimiert und erreicht eine typische Dunkelzählrate von weniger als 100cps. ++ Um zeitaufgelöste Messungen in einem Sensor mit hoher räumlicher Auflösung zu ermöglichen, hat das Fraunhofer IMS (www.ims.fraunhofer.de) einen CMOS-Linearsensor auf Spad-Basis entwickelt, wodurch ein schnelles Gating im Nanosekundenbereich möglich ist. Eine hohe Empfindlichkeit bei Wellenlängen von 400nm und darunter wird durch eine nachträgliche UV-transparente Passivierung des CMOS-Stacks erreicht. ++ Die MS-500 Kamera von Canon (www.canon.de) hat einen 2,1MP 1-„-Typ Spad-Sensor integriert und liefert Full HD-Aufnahmen in Farbe und mit geringem Rauschen bei schwach beleuchteten Umgebungen für Security-Aanwendungen mit großer Reichweite. ++ Auch Hamamatsu Photonics (www.hamamatsu.com) hat verschiedene Spad Produkte im Portfolio um Photonen bei niedriger Lichtstärke zu erkennen. ++ Die Photonenzähldetektormodule der PDM- und PDF-Serie Micro Photon Devices (MPD, Vertrieb Laser 2000, www.laser2000.com) haben eine Photonendetektionseffizienz von 49 Prozent bei 550nm und erzeugen pro detektiertem Photon einen TTL-Ausgangsimpuls.
Prof. Robert Henderson von der University of Edinburgh wird am ersten Tag der inVISION Days 2025 die Keynote zum Thema ´Why Spad sensors are different?´ halten. Dabei erklärt er die neuen Möglichkeiten die sich mit Spads ergeben. Die Online Konferenz findet vom 2.-4. Dezember statt. Weitere Informationen und kostenfreie Anmeldung unter …
<a href="http://www.invdays.com
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