浅谈图像传感器和光电探测器(三)-微光探测上

光电探测器一方面往多功能，智能化方向发展，智能化比如事件驱动，感存算架构，多功能比如多光谱，偏振探测。另外一方面向着高性能方面发展，宽光谱，高灵敏度，高速度。可以说对智能化的追求是从目的出发的，整体系统考虑下的性价比最优。智能化的设计可以降低对器件性能方面的要求。而对性能的苛求是研发人员针对材料，器件，电路的技挑战的直面。

以高速探测为例，人们从高性能思路出发，实现了超高速的探测器和相机阵列，代价是高的硬件成本和复杂设计。近年来，人们也系统出发，设计了事件相机这一取巧的设计，实现了相对成本更低的高速图像采集模式，代价是获得的数据不是直接数据，而是图像的微分。

这篇文章讲讲自己对高性能方向的高灵敏度探测器的总结。

提到微光探测，我首先会想到以下一些探测器件。他们都是常用于微光探测场景中的探测器件或传感阵列。

其中基于碰撞离化/雪崩的有:EMCCD ,APD,SPAD,SiPM/MPPC, APD和SPAD是同一器件结构不同电路结构，对应两种不同的模式:线性模式和盖革模式。SiPM可以理解为SPAD的阵列形式。EMCCD是在CCD架构上的电荷transfer过程中引入雪崩放大。

佳能近日推出了一款SPAD相机MS-500，像素数高达100万像素。

该相机在传统SPAD基础上改进像素结构，提高场作用区域，提高入射到像素面光子的利用效率。

TDI

TDI原理上是通过牺牲时间来实现响应度的提高。TDI有了一些模拟域做MAC的影子，其架构和工作方式对如今的模拟域感算传感器的设计也有很大的借鉴意义。TDI多用于高精密仪器，半导体量测设备等，值得一提的是KLA的BFI中就用的TDI相机。

以滨松TDI相机C10000-801为例，可以看到其行像素数很多，列像素数相对少，这是由于列方向是积分方向。从最终成像结果上看可以把TDI理解为面阵形式的线阵相机。

超导纳米线

超导纳米线听着很前沿，但是其实已经有对应产品了。

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

由于是相对新的技术，目前像素分辨率相对较低，但是近日也有突破。

PMT

PMT多为单点探测器，其阵列形式相对少见，因为其体积庞大，需要的高电压驱动。

sCMOS可以理解为基于CMOS架构设计的高性能CMOS，其引入降温，高增益读出单元，高转换增益架构设计以实现高性能，常用于荧光成像，科学仪器，精密装备中。

上述的微光探测器中，SPAD，超导纳米线，SiPM,PMT都常用于单光子探测中。

QIS

Quanta Image Sensor是gigajot公司推出的量子图像传感器产品，其可以实现单光子计数的灵敏度，Gigajot总部位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳，主要开发下一代量子图像传感器，提供高速和高分辨率的单光子探测。该公司的新款产品量子图像传感器GJ04122具有高分辨率（4100万像素）和低读取噪声（0.35 e-），能够在室温下进行光子计数和光子数解析。

与SPAD等传统单光子探测器比，其速度高，功耗低，噪声低，是很有潜力的微光传感器。

各类探测器的原理图汇总