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淺談光電探測器和圖像傳感器系列是本平臺最早開設(shè)的原創(chuàng)技術(shù)專欄，也是該號最受歡迎的連載文章，該系列原創(chuàng)停更幾個月后終于又繼續(xù)開始更新啦，這段時間小編也經(jīng)歷了一些重要的人生轉(zhuǎn)折和變故。為持續(xù)提升內(nèi)容質(zhì)量和保證更新，該號將計劃邀請一些和小編同樣熱忱的光電愛好者加入，該號始終堅持 “原創(chuàng)為主，不用于商業(yè)目的，學(xué)習(xí)交流的分享平臺”，希望大家繼續(xù)支持小編和SemIsee。
隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，微光探測器在多個領(lǐng)域的重要性日益凸顯。微光探測器能夠在極低光照條件下實現(xiàn)高靈敏度成像，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)檢測、醫(yī)療成像、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。
弱光信號探測思路
微光探測技術(shù)主要用于在極低光照條件下（如夜間或弱光環(huán)境）捕捉可見光或近紅外波段的光信號。從信號路徑的思路出發(fā)，要實現(xiàn)微弱光信號探測的關(guān)鍵是提高信噪比，其思路包括：感前增強(光學(xué)增強技術(shù))，感中增強（新物理機制、器件內(nèi)增益），以及感后增強（電路增益設(shè)計，曝光調(diào)控）。
感前增強主要是通過光學(xué)設(shè)計提高光吸收效率和光電轉(zhuǎn)化效率。比如陷光結(jié)構(gòu)、諧振腔、超表面等。陷光結(jié)構(gòu)是 通過亞波長光柵（SWG）和光子晶體（Photonic Crystal）結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)光場空間分布的調(diào)控。典型結(jié)構(gòu)包括錐形硅納米線陣列，可使入射光的有效吸收路徑延長至物理厚度的10倍以上。
感中增強主要是通過在傳感器件的光電效應(yīng)過程中引入增益效應(yīng)，比如雪崩倍增和碰撞電離。當然也可以通過挖掘器件新物理機制實現(xiàn)，比如超導(dǎo)納米線的單光子探測器。
感后增強主要是通過讀出電路設(shè)計，引入跨導(dǎo)放大，或者設(shè)計增益放大器，乃至在成像時序設(shè)計上調(diào)節(jié)曝光方式實現(xiàn)信號增強，比如多幀積分和多曝光融合算法。
微光探測器的分類
微光探測屬于光電探測領(lǐng)域中極具挑戰(zhàn)性的特殊場景。嚴格而言，微光探測器并非指某一類特定的探測器，而是一種針對極低光照條件的探測需求。在這一場景中，探測器需要具備將極其微弱的光信號精準轉(zhuǎn)換為電信號，并進行有效放大與處理的能力。這種探測需求廣泛存在于夜間監(jiān)控、天文觀測、生物熒光成像、激光雷達以及量子通信等多個前沿領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)μ綔y器的靈敏度和噪聲控制提出了極高的要求。 依據(jù)工作原理與技術(shù)特性，適用于微光探測場景的常見光電探測器主要分為以下幾類：
主要的微光探測器
雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode, APD）：雪崩光電二極管（APD）是一種利用雪崩效應(yīng)實現(xiàn)光信號放大的半導(dǎo)體光電探測器。其核心原理是通過在光電二極管中引入高電場，使光生載流子在電場中加速并發(fā)生碰撞離化，從而產(chǎn)生大量的次級載流子，實現(xiàn)光電流的倍增。APD廣泛應(yīng)用于弱光探測、激光雷達、光纖通信等領(lǐng)域。
InGaAs/InP結(jié)構(gòu)SPAD器件演進過程[4]
單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）：單光子雪崩二極管（SPAD）是一種能夠在單光子級別實現(xiàn)光信號探測的高靈敏度光電探測器。它是雪崩光電二極管（APD）的一種特殊工作模式，工作在上述所說的蓋革模式（Geiger Mode）下。當SPAD吸收一個光子時，會觸發(fā)雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生一個可探測的電脈沖信號。SPAD廣泛應(yīng)用于量子通信、激光雷達、熒光壽命成像、單光子計數(shù)等領(lǐng)域。
SPAD與APD的主要區(qū)別在于SPAD工作在蓋革模式下，其通過將雪崩光電二極管反向偏置在更大偏壓的改革模式并引入外部淬滅電路來控制雪崩效應(yīng)，并快速復(fù)位以準備下一次探測，從而實現(xiàn)單光子靈敏度。
PMT光電倍增管原理示意圖[9]
光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）
光電倍增管（PMT）是一種經(jīng)典的高靈敏度探測器，自20世紀30年代問世以來，一直是弱光探測領(lǐng)域的核心器件之一。與上述半導(dǎo)體固態(tài)器件不同，PMT是一種真空光電器件，其核心原理是利用外光電效應(yīng)和電子倍增效應(yīng)，通過多級放大實現(xiàn)對微弱光信號的精確探測。其核心部件包括光陰極、倍增極系統(tǒng)和陽極。當光子入射到光陰極表面時，通過光電效應(yīng)會產(chǎn)生初級光電子。這些光電子在高壓電場的作用下被加速并聚焦到第一級倍增極（打拿極）上。
當高速電子撞擊打拿極表面時，會產(chǎn)生數(shù)個二次電子。這些二次電子繼續(xù)在電場作用下被加速，并撞擊下一級打拿極，產(chǎn)生更多的電子。通過這種級聯(lián)放大過程，最終在陽極產(chǎn)生可以被精確測量的電流信號。 PMT具有極高的靈敏度和低噪聲，但體積較大且需要高壓驅(qū)動。盡管近年來半導(dǎo)體光電探測器（如APD、SiPM等）發(fā)展迅速，PMT在某些特定領(lǐng)域（如單光子計數(shù)、高能物理實驗）中仍具有不可替代的優(yōu)勢。
硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM/MPPC）
硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM），又稱多像素光子計數(shù)器（Multi-Pixel Photon Counter, MPPC），是一種基于半導(dǎo)體工藝的高靈敏度光電探測器。SiPM是SPAD的陣列形式，由多個微小的SPAD單元并聯(lián)組成。每個單元獨立工作，通過信號疊加實現(xiàn)高增益和低噪聲的光信號探測。SiPM具有高增益、低噪聲和緊湊的體積，廣泛應(yīng)用于高能物理、醫(yī)學(xué)成像和激光雷達。
EMCCD原理[11, 12]
電子倍增CCD（Electron Multiplying CCD, EMCCD）電子倍增CCD（Electron Multiplying CCD, EMCCD）是一種結(jié)合了傳統(tǒng)CCD（Charge-Coupled Device）成像技術(shù)與電子倍增技術(shù)的高靈敏度光電探測器。其通過在CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程中引入雪崩效應(yīng)，實現(xiàn)了高增益和低噪聲的光信號探測，廣泛應(yīng)用于天文觀測、生物熒光成像、單光子計數(shù)等領(lǐng)域。
基于熱點模型的SNSPD探測機理和器件原理圖[13, 14]
超導(dǎo)納米線探測器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, SNSPD）
超導(dǎo)納米線探測器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, SNSPD）是一種基于超導(dǎo)材料的高靈敏度單光子探測器。作為新一代單光子探測技術(shù)的代表，SNSPD憑借其近極限探測效率、皮秒級時間分辨率和極低暗計數(shù)率，在量子信息、深空通信及生物光子學(xué)等領(lǐng)域引發(fā)革命性突破。超導(dǎo)納米線探測器利用超導(dǎo)材料在低溫下的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的靈敏度和極低的時間抖動。其工作原理是基于超導(dǎo)納米線在光子吸收后從超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了單光子級別的高效探測。SNSPD具有極高的探測效率、極低的時間抖動和低暗計數(shù)率，適用于單光子探測和量子通信。
科學(xué)級CMOS（Scientific CMOS, sCMOS）
科學(xué)級CMOS（sCMOS）圖像傳感器是一種基于CMOS架構(gòu)的高性能圖像傳感器，專為科學(xué)成像應(yīng)用設(shè)計。通過引入降溫、高增益讀出單元和高轉(zhuǎn)換增益設(shè)計，實現(xiàn)了低噪聲、高幀率、大視場和高動態(tài)范圍等優(yōu)點。其在生物醫(yī)學(xué)成像、科學(xué)成像領(lǐng)域、精密測量中表現(xiàn)出色。
CIS QIS中高CG的實現(xiàn)原理和器件結(jié)構(gòu)示意圖[26]
量子圖像傳感器（Quanta Image Sensor, QIS）
量子圖像傳感器（Quanta Image Sensor, QIS）是一種基于單光子計數(shù)的圖像傳感器，旨在通過高靈敏度和低噪聲實現(xiàn)超低光照條件下的高質(zhì)量成像。QIS的設(shè)計理念源于傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器（CIS）在像素尺寸縮小和滿阱容量降低時面臨的挑戰(zhàn)，其核心目標是通過光電計數(shù)實現(xiàn)高動態(tài)范圍和低噪聲成像，適用于高速和高精度的成像應(yīng)用。
TDI圖像傳感器工作原理圖[27-29]
TDI傳感器（Time Delay Integration Sensor，時間延遲積分傳感器）
TDI傳感器是一種特殊類型的線陣圖像傳感器，主要用于在低光照條件下或高速運動場景中實現(xiàn)高靈敏度和高分辨率的圖像采集。其核心原理是通過通過在多個時間切片上積分光信號，顯著提高了信噪比（SNR），這一技術(shù)叫做時間延遲積分（Time Delay Integration, TDI）技術(shù)。具體說來，TDI傳感器在每個時間切片上捕獲光信號，并將這些信號在時間上進行累加。這種方法類似于在時間域上進行多次曝光，但與傳統(tǒng)多次曝光方法不同的是，TDI傳感器在每個時間切片上都進行信號積分，物體或傳感器勻速運動時，電荷在垂直于掃描方向的多個像素行中逐行轉(zhuǎn)移累加，而不是簡單地將多個圖像相加。
微光探測器性能對比
這些探測器在物理機制、性能參數(shù)及應(yīng)用場景上存在顯著差異，因此需從具體需求出發(fā)進行選型。上述微光探測器基于不同的原理、器件結(jié)構(gòu)和材料體系，各自具備獨特的性能特點和應(yīng)用局限性。下表匯總對比了它們的主要性能特點、應(yīng)用優(yōu)勢以及局限性。
弱光探測器匯總
綜合來看，微光探測器的技術(shù)路線呈現(xiàn)顯著的分化特征。APD與SPAD憑借半導(dǎo)體工藝的兼容性與適中的成本，在激光雷達與生物成像中占據(jù)主流；SiPM通過陣列化設(shè)計平衡了增益與抗干擾能力，成為高能物理與醫(yī)學(xué)成像的重要工具；PMT與EMCCD作為傳統(tǒng)高靈敏度探測器，在紫外-可見光波段仍具不可替代性；SNSPD則以近乎極限的性能推動量子信息領(lǐng)域的突破，但其低溫依賴性與高成本構(gòu)成應(yīng)用瓶頸；sCMOS與QIS通過CMOS技術(shù)創(chuàng)新，在集成度與動態(tài)范圍上展現(xiàn)潛力；TDI傳感器則專注于運動場景的優(yōu)化。未來，隨著二維材料、超導(dǎo)器件及三維集成技術(shù)的發(fā)展，微光探測器將在靈敏度、響應(yīng)速度與環(huán)境適應(yīng)性上實現(xiàn)進一步突破，為深空探測、量子計算及實時生物成像提供更強大的硬件支撐。
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