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《单光子成像》第二章预习2025.6.12

news 来源：原创 2025/6/13 8:33:28

本章系统介绍了单光子成像技术的硬件基础——图像传感器技术，涵盖其发展历程、结构原理、工艺技术及未来趋势。内容框架如下：

固态图像传感器的发展与历史
- 从真空管到固态器件的技术演进，重点强调CMOS与CCD传感器的崛起。
- 历史节点：20世纪70年代CCD商业化，90年代CMOS传感器因低功耗优势逐步占据市场。
图像传感器结构与工作原理
- 基本结构：像素阵列、读出电路、控制逻辑。
- 工作原理：
  - 光子吸收产生电子-空穴对；
  - 电荷收集与转移（CCD的势阱转移 vs. CMOS的有源像素设计）；
  - 信号放大与模数转换。
图像传感工艺技术
- 关键工艺：
  - 光电二极管制备（如PIN结构）；
  - 微透镜阵列提高填充因子；
  - 背照式（BSI）技术减少光损失。
- 性能指标：量子效率、动态范围、噪声水平（读出噪声、暗电流）。
单光子工艺技术展望
- 单光子雪崩二极管（SPAD）：
  - 工作原理：盖革模式下的雪崩倍增效应；
  - 挑战：后脉冲噪声、时间抖动。
- 新兴技术：
  - 三维集成（3D stacking）提升像素密度；
  - 量子点传感器扩展光谱响应范围。

技术演进逻辑
- 固态传感器替代真空管 → CCD主导 → CMOS逆袭 → 单光子技术兴起。
- 关联思考：为何CMOS在低功耗场景中更优？答案：CMOS采用有源像素设计，支持局部读出，降低功耗。
结构-原理-性能映射
- 像素结构（如光电二极管类型）→ 电荷收集效率 → 量子效率。
- 读出电路设计（如相关双采样）→ 噪声抑制 → 信噪比提升。
工艺技术对性能的影响
- 微透镜阵列 → 增大有效感光面积 → 提升灵敏度。
- 背照式技术 → 减少电路层光吸收 → 改善低光性能。

关键公式
- 量子效率（QE）： QE= (入射光子数/收集到的电子数)×100%
  关联半导体能带结构（如硅的1.1eV带隙对应截止波长≈1100nm）。
- 信噪比（SNR）：
  $SNR=\frac{\mu}{\sigma}=\frac{Q \centerdot t}{\sqrt{{N_s^2} +{N_d^2}} }$
  
  其中Q为电荷量，t为曝光时间， $N_s$ 为散粒噪声， $N_d$ 为暗电流噪声。
噪声来源与抑制
- 散粒噪声：光子到达的泊松统计特性，无法消除但可通过增加光通量抑制。
- 暗电流：热激发产生，低温冷却（如-40℃）可显著降低。
- 相关双采样（CDS）：通过两次采样消除固定模式噪声。
单光子探测挑战
- 后脉冲效应：雪崩后残余电荷引发虚假计数，需淬灭电路（如被动淬灭）控制。
- 时间分辨率：时间相关单光子计数（TCSPC）技术实现皮秒级精度。

传感器类型对比

特性 CCD CMOS SPAD
功耗高低中（盖革模式）
读出速度 慢（串行）快（并行）快（事件驱动）
噪声低（低读出噪声）中（高读出噪声）高（后脉冲）
工艺技术突破点
- 3D集成：通过硅通孔（TSV）实现像素与电路层垂直堆叠，突破平面集成密度限制。
- 量子点材料：如PbS胶体量子点，覆盖可见光至短波红外（SWIR）波段。
应用场景关联
- 天文观测：需高QE、低暗电流（如EMCCD）。
- 激光雷达：需高时间分辨率（SPAD阵列）。
- 生物成像：需近红外响应（InGaAs传感器）。

理论结合实验：
- 对比不同传感器（CCD/CMOS/SPAD）的实测噪声曲线，分析暗电流与温度的关系。
- 通过TCSPC实验验证时间分辨率指标。
跨章节联动：
- 结合第一章的光子统计特性，理解SPAD阵列在低光子 flux 下的优势。
- 关联后续章节（如第三章混合雪崩二极管），分析工艺兼容性问题。
前沿拓展：
- 查阅最新文献（如2025年IEEE Sensors Journal），关注量子点传感器在单光子成像中的进展。
- 分析AI降噪算法（如基于深度学习的暗电流补偿）对传统工艺瓶颈的突破。