淺談圖像傳感器和光電探測(cè)器(三)-微光探測(cè)上

光電探測(cè)器一方面往多功能，智能化方向發(fā)展，智能化比如事件驅(qū)動(dòng)，感存算架構(gòu)，多功能比如多光譜，偏振探測(cè)。另外一方面向著高性能方面發(fā)展，寬光譜，高靈敏度，高速度?？梢哉f對(duì)智能化的追求是從目的出發(fā)的，整體系統(tǒng)考慮下的性價(jià)比最優(yōu)。智能化的設(shè)計(jì)可以降低對(duì)器件性能方面的要求。而對(duì)性能的苛求是研發(fā)人員針對(duì)材料，器件，電路的技挑戰(zhàn)的直面。

以高速探測(cè)為例，人們從高性能思路出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了超高速的探測(cè)器和相機(jī)陣列，代價(jià)是高的硬件成本和復(fù)雜設(shè)計(jì)。近年來，人們也系統(tǒng)出發(fā)，設(shè)計(jì)了事件相機(jī)這一取巧的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)成本更低的高速圖像采集模式，代價(jià)是獲得的數(shù)據(jù)不是直接數(shù)據(jù)，而是圖像的微分。

這篇文章講講自己對(duì)高性能方向的高靈敏度探測(cè)器的總結(jié)。

提到微光探測(cè)，我首先會(huì)想到以下一些探測(cè)器件。他們都是常用于微光探測(cè)場(chǎng)景中的探測(cè)器件或傳感陣列。

其中基于碰撞離化/雪崩的有:EMCCD ,APD,SPAD,SiPM/MPPC, APD和SPAD是同一器件結(jié)構(gòu)不同電路結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)兩種不同的模式:線性模式和蓋革模式。SiPM可以理解為SPAD的陣列形式。EMCCD是在CCD架構(gòu)上的電荷transfer過程中引入雪崩放大。

佳能近日推出了一款SPAD相機(jī)MS-500，像素?cái)?shù)高達(dá)100萬像素。

該相機(jī)在傳統(tǒng)SPAD基礎(chǔ)上改進(jìn)像素結(jié)構(gòu)，提高場(chǎng)作用區(qū)域，提高入射到像素面光子的利用效率。

TDI

TDI原理上是通過犧牲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)響應(yīng)度的提高。TDI有了一些模擬域做MAC的影子，其架構(gòu)和工作方式對(duì)如今的模擬域感算傳感器的設(shè)計(jì)也有很大的借鑒意義。TDI多用于高精密儀器，半導(dǎo)體量測(cè)設(shè)備等，值得一提的是KLA的BFI中就用的TDI相機(jī)。

以濱松TDI相機(jī)C10000-801為例，可以看到其行像素?cái)?shù)很多，列像素?cái)?shù)相對(duì)少，這是由于列方向是積分方向。從最終成像結(jié)果上看可以把TDI理解為面陣形式的線陣相機(jī)。

超導(dǎo)納米線

超導(dǎo)納米線聽著很前沿，但是其實(shí)已經(jīng)有對(duì)應(yīng)產(chǎn)品了。

https://mp.weixin.qq.com/s/uSmEygePkwtqOZPAsqtP5w

由于是相對(duì)新的技術(shù)，目前像素分辨率相對(duì)較低，但是近日也有突破。

PMT

PMT多為單點(diǎn)探測(cè)器，其陣列形式相對(duì)少見，因?yàn)槠潴w積龐大，需要的高電壓驅(qū)動(dòng)。

sCMOS可以理解為基于CMOS架構(gòu)設(shè)計(jì)的高性能CMOS，其引入降溫，高增益讀出單元，高轉(zhuǎn)換增益架構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高性能，常用于熒光成像，科學(xué)儀器，精密裝備中。

上述的微光探測(cè)器中，SPAD，超導(dǎo)納米線，SiPM,PMT都常用于單光子探測(cè)中。

QIS

Quanta Image Sensor是gigajot公司推出的量子圖像傳感器產(chǎn)品，其可以實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)的靈敏度，Gigajot總部位于美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納，主要開發(fā)下一代量子圖像傳感器，提供高速和高分辨率的單光子探測(cè)。該公司的新款產(chǎn)品量子圖像傳感器GJ04122具有高分辨率（4100萬像素）和低讀取噪聲（0.35 e-），能夠在室溫下進(jìn)行光子計(jì)數(shù)和光子數(shù)解析。

與SPAD等傳統(tǒng)單光子探測(cè)器比，其速度高，功耗低，噪聲低，是很有潛力的微光傳感器。

各類探測(cè)器的原理圖匯總