實際上，傳統的 CCD 或 CMOS 圖像傳感器也是這樣的原理，只不過它們是接收自然光，除此之外唯一的差異在于接收端，CCD 或 CMOS 圖像傳感器使用的是 PN 型二極管，旋轉掃描型激光雷達是使用 PIN 型，而固態激光雷達一般是使用雪崩二極管 APD。
PN 型二極管更容易做到低成本和高像素，但是增益較低，動態范圍窄。APD 是一種半導體光檢測器, 其原理類似于光電倍增管，在加上一個較高的反向偏置電壓后 (在硅材料中一般為 100 到 200 V)，利用電離碰撞 (雪崩擊穿) 效應, 可在 APD 內部獲得電流增益。
APD 的工作模式分為線性模式和蓋革模式兩種。當 APD 的偏置電壓低于其雪崩電壓時, 對入射光電子起到線性放大作用, 這種工作狀態稱為「線性模式」。
在線性模式下，反向電壓越高，增益就越大。APD 對輸入的光電子進行等增益放大后形成連續電流，獲得帶有時間信息的激光連續回波信號。
當偏置電壓高于其雪崩電壓時，APD 增益迅速增加，此時單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和，這種工作狀態稱為「蓋革模式」。
在蓋革模式下，單個光子即可使 APD 的工作狀態實現開、關之間的轉換, 形成一個陡峭的回波脈沖信號, 因而具備單光子成像的能力。
總的來說，蓋革模式 APD 具有單光子探測能力, 但是其需要淬火電路，且虛警率較高，而線性模式 APD 雖然能夠獲得目標的灰度信息, 但是也有相對蓋革模式增益較低的缺點。蓋革模式下一般稱之為「單光子激光雷達」。
單光子激光雷達是一種能夠徹底顛覆空戰格局的雷達，由于其靈敏度極高，探測距離理論上可以非常遠，三千公里都不成問題，這點在軍事上非常有價值，F－22、B－2 等飛機高超的隱身性能，幾乎使現役雷達和光電探測系統變成「瞎子」。
但單光子探測系統極高的探測靈敏度，即使對 F－22、B－2 這樣的隱身飛機，作用距離也可達到幾百到幾千公里，可在極遠距離上發現隱身飛機，使其「無處遁形」。利用空中平臺或臨近空間平臺配裝單光子探測系統，構建單光子探測網絡，只需幾部單光子探測系統就可實現對領空的全域覆蓋。
在此基礎上用地面或空中遠程導彈構建空中地面聯合火力網，把單光子探測網絡作為網絡中心戰的目標探測網絡系統，可對任何位置（地面或空中）發射的導彈進行目標指引，有效攻擊全球目標，實現「全球感知，全球打擊」。將空戰由超視距作戰改為超超視距作戰。
單光子激光雷達用在自動駕駛上，將提供超高密度的點云，達到 128 線甚至 256 線的效果，當然，它無法做到 360 度。
*圖為 APD 3D 成像原理圖
自 1993 年開始，美國國防部開始資助美國 MIT 的林肯實驗室開發單光子激光雷達，這也是目前全球最優秀的單光子激光雷達供應者，1998 年林肯實驗室推出第一代樣機。第一代樣機原理圖如下：
2001 年推出第二代，2003 年推出第三代。2010 年則首次將單光子激光雷達裝在噴氣式飛機上實驗。系統掛載在噴氣式飛機機腹位置, 對地面進行主動激光照射并三維成像，同時在系統內融合 GPS /IMU 信息， 實現對地面的偵察與測繪。
探測器是 32 × 128 的 InP /InGaAsP 蓋革 APD，激光器工作波長為 1500nm，能夠全天時在 3 公里高空對地面進行 2000 km /h 的快速三維成像, 距離精度為 0.3 m。
*對地成像
此后直到 2015 年，MIT /LL 在激光三維成像雷達方面的研究工作主要集中在開發性能更佳的近紅外波段響應 InP /InGaAs APD 陣列。近紅外波段的激光人眼安全并具備隱蔽性, 能夠通過提高功率的方式獲得更佳的探測性能。
目前林肯實驗室可以提供 256*256 精度，預計到 2018 年可以達到 1024*1024 的精度，完全達到實用級別。2003 年日本防衛省科技研究院實驗成功了 35*35 精度的單光子激光雷達，目前估計也達到 256*256 的精度，但已經屬于軍事機密。
2005 年德國知名導彈制導系統大廠，代傲國防系統實驗室完成單光子激光雷達識別導彈真假彈頭的實驗，有助于遠距離啟動攔截導彈。