《单光子成像》第八章 预习2025.6.22

《单光子成像》第八章知识梳理

一、章节概述

第八章聚焦于通过噪声最小化实现单光子CMOS成像，核心目标是优化CMOS图像传感器的设计，以降低噪声对单光子探测的影响，提升成像信噪比（SNR）和分辨率。本章从理论、电路结构、优化策略三方面展开，结合单光子成像的特殊性，提出了一套完整的低噪声CMOS成像解决方案。

二、预习整理

1. 理论基础

   • 量子效率（QE）与调制传递函数（MTF）：
     • 量子效率定义：光生载流子数与入射光子数的比值，反映传感器对光子的捕获能力。
     • MTF描述成像系统对空间频率的响应能力，影响图像细节分辨率。
   • 光电载流子探测概率：
     • 单光子成像中，光子转换为电信号的概率受材料、结构、偏置电压等因素影响。
   • 噪声分类：
     • 加性时域噪声：散粒噪声（光子到达随机性）、热噪声（载流子热扰动）。
     • 相关时域噪声：1/f噪声（低频闪烁噪声）、固定图案噪声（FPN，制造工艺差异导致）。

2. CMOS图像传感器结构

   • 4T像素结构：
     • 包含钉扎光电二极管（PPD）、传输管、复位管、源极跟随器、行选管。
     • 优势：通过相关双采样（CDS）消除复位噪声和FPN。
   • 列级放大与CDS：
     • 列级放大器降低读出噪声，CDS技术通过两次采样（复位电平、信号电平）抑制低频噪声。

3. 噪声抑制策略

   • 电子学优化：
     • 放大器设计：低噪声、高带宽放大器提升信号质量。
     • 带宽控制：通过电容、电阻网络限制高频噪声。
   • 光学优化：
     • 填充系数（FF）提升：增大光电二极管面积占比，提高光子捕获效率。
     • 微透镜阵列：聚焦光线至光电二极管，减少光损失。
       

三、复习重点

1. 关键公式与指标

   • 信噪比（SNR）：
     $$SNR=\frac{N_s}{\sqrt{N_s^2+N_d^2+N_r^2}}$$

     其中，${\mathbb{N}}_s$为信号光子数，${\mathbb{N}}_d$为暗电流噪声，${\mathbb{N}}_r$为读出噪声。

   • 量子效率（QE）：
     $$\eta =\frac{N_e}{N_{\gamma }}\times 100\%$$
     ${\mathbb{N}}_e$为光生载流子数，${\mathbb{N}}_{\gamma }$为入射光子数。

2. 结构对比

   • 4T像素 vs. 3T像素：
     • 4T像素通过PPD和CDS显著降低噪声，但增加工艺复杂度。
   • 电容式跨导放大器（CTIA）：
     • 优势：高注入效率、低噪声；劣势：面积较大，适合低光照场景。

3. 优化设计流程

   • 电子学优化步骤：
     1. 选择低噪声放大器拓扑（如折叠共源共栅）。
     2. 通过电容匹配、电阻修剪降低FPN。
     3. 采用动态范围压缩技术（如双采样）。
   • 光学优化步骤：
     1. 设计高填充系数像素布局。
     2. 优化微透镜曲率与排列。
     3. 采用背照式（BSI）CMOS结构，减少光损失。

四、关键知识点梳理

1. 噪声来源与抑制

   • 散粒噪声：不可避免，需通过提高QE或延长曝光时间缓解。
   • 热噪声：通过低温工作或低噪声电路设计抑制。
   • 1/f噪声：采用相关双采样（CDS）或斩波稳定技术。
   • 固定图案噪声（FPN）：通过校准或差分信号处理消除。

2. 像素结构创新

   • 钉扎光电二极管（PPD）：
     • 减少暗电流，提高电荷传输效率。
   • 相关双采样（CDS）：
     • 两次采样（复位电平、信号电平）相减，消除复位噪声和FPN。

3. 系统级优化

   • 带宽控制：
     • 通过RC滤波网络限制高频噪声，平衡噪声与响应速度。
   • 电子-光学协同设计：
     • 结合微透镜、滤光片、像素结构，最大化光子利用率。
       

五、总结

第八章从理论到实践，系统阐述了如何通过噪声最小化实现高性能单光子CMOS成像。核心在于理解噪声来源、优化像素结构（如4T+CDS）、提升量子效率，并结合电子学与光学设计实现系统级优化。复习时应重点关注公式推导、结构对比及优化流程，结合实验数据（如SNR提升、噪声抑制效果）加深理解。