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随着光电技术的飞速发展，微光探测器在多个领域的重要性日益凸显。微光探测器能够在极低光照条件下实现高灵敏度成像，广泛应用于科学研究、工业检测、医疗成像、安防监控等领域。
弱光信号探测思路
微光探测技术主要用于在极低光照条件下（如夜间或弱光环境）捕捉可见光或近红外波段的光信号。从信号路径的思路出发，要实现微弱光信号探测的关键是提高信噪比，其思路包括：感前增强(光学增强技术)，感中增强（新物理机制、器件内增益），以及感后增强（电路增益设计，曝光调控）。
感前增强主要是通过光学设计提高光吸收效率和光电转化效率。比如陷光结构、谐振腔、超表面等。陷光结构是 通过亚波长光栅（SWG）和光子晶体（Photonic Crystal）结构设计，实现光场空间分布的调控。典型结构包括锥形硅纳米线阵列，可使入射光的有效吸收路径延长至物理厚度的10倍以上。
感中增强主要是通过在传感器件的光电效应过程中引入增益效应，比如雪崩倍增和碰撞电离。当然也可以通过挖掘器件新物理机制实现，比如超导纳米线的单光子探测器。
感后增强主要是通过读出电路设计，引入跨导放大，或者设计增益放大器，乃至在成像时序设计上调节曝光方式实现信号增强，比如多帧积分和多曝光融合算法。
微光探测器的分类
微光探测属于光电探测领域中极具挑战性的特殊场景。严格而言，微光探测器并非指某一类特定的探测器，而是一种针对极低光照条件的探测需求。在这一场景中，探测器需要具备将极其微弱的光信号精准转换为电信号，并进行有效放大与处理的能力。这种探测需求广泛存在于夜间监控、天文观测、生物荧光成像、激光雷达以及量子通信等多个前沿领域，这些领域对探测器的灵敏度和噪声控制提出了极高的要求。 依据工作原理与技术特性，适用于微光探测场景的常见光电探测器主要分为以下几类：
主要的微光探测器
雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）：雪崩光电二极管（APD）是一种利用雪崩效应实现光信号放大的半导体光电探测器。其核心原理是通过在光电二极管中引入高电场，使光生载流子在电场中加速并发生碰撞离化，从而产生大量的次级载流子，实现光电流的倍增。APD广泛应用于弱光探测、激光雷达、光纤通信等领域。
InGaAs/InP结构SPAD器件演进过程[4]
单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）：单光子雪崩二极管（SPAD）是一种能够在单光子级别实现光信号探测的高灵敏度光电探测器。它是雪崩光电二极管（APD）的一种特殊工作模式，工作在上述所说的盖革模式（Geiger Mode）下。当SPAD吸收一个光子时，会触发雪崩效应，产生一个可探测的电脉冲信号。SPAD广泛应用于量子通信、激光雷达、荧光寿命成像、单光子计数等领域。
SPAD与APD的主要区别在于SPAD工作在盖革模式下，其通过将雪崩光电二极管反向偏置在更大偏压的改革模式并引入外部淬灭电路来控制雪崩效应，并快速复位以准备下一次探测，从而实现单光子灵敏度。
PMT光电倍增管原理示意图[9]
光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）
光电倍增管（PMT）是一种经典的高灵敏度探测器，自20世纪30年代问世以来，一直是弱光探测领域的核心器件之一。与上述半导体固态器件不同，PMT是一种真空光电器件，其核心原理是利用外光电效应和电子倍增效应，通过多级放大实现对微弱光信号的精确探测。其核心部件包括光阴极、倍增极系统和阳极。当光子入射到光阴极表面时，通过光电效应会产生初级光电子。这些光电子在高压电场的作用下被加速并聚焦到第一级倍增极（打拿极）上。
当高速电子撞击打拿极表面时，会产生数个二次电子。这些二次电子继续在电场作用下被加速，并撞击下一级打拿极，产生更多的电子。通过这种级联放大过程，最终在阳极产生可以被精确测量的电流信号。 PMT具有极高的灵敏度和低噪声，但体积较大且需要高压驱动。尽管近年来半导体光电探测器（如APD、SiPM等）发展迅速，PMT在某些特定领域（如单光子计数、高能物理实验）中仍具有不可替代的优势。
硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM/MPPC）
硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM），又称多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter, MPPC），是一种基于半导体工艺的高灵敏度光电探测器。SiPM是SPAD的阵列形式，由多个微小的SPAD单元并联组成。每个单元独立工作，通过信号叠加实现高增益和低噪声的光信号探测。SiPM具有高增益、低噪声和紧凑的体积，广泛应用于高能物理、医学成像和激光雷达。
EMCCD原理[11, 12]
电子倍增CCD（Electron Multiplying CCD, EMCCD）电子倍增CCD（Electron Multiplying CCD, EMCCD）是一种结合了传统CCD（Charge-Coupled Device）成像技术与电子倍增技术的高灵敏度光电探测器。其通过在CCD的电荷转移过程中引入雪崩效应，实现了高增益和低噪声的光信号探测，广泛应用于天文观测、生物荧光成像、单光子计数等领域。
基于热点模型的SNSPD探测机理和器件原理图[13, 14]
超导纳米线探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, SNSPD）
超导纳米线探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, SNSPD）是一种基于超导材料的高灵敏度单光子探测器。作为新一代单光子探测技术的代表，SNSPD凭借其近极限探测效率、皮秒级时间分辨率和极低暗计数率，在量子信息、深空通信及生物光子学等领域引发革命性突破。超导纳米线探测器利用超导材料在低温下的特性，能够实现极高的灵敏度和极低的时间抖动。其工作原理是基于超导纳米线在光子吸收后从超导态到正常态的转变，实现了单光子级别的高效探测。SNSPD具有极高的探测效率、极低的时间抖动和低暗计数率，适用于单光子探测和量子通信。
科学级CMOS（Scientific CMOS, sCMOS）
科学级CMOS（sCMOS）图像传感器是一种基于CMOS架构的高性能图像传感器，专为科学成像应用设计。通过引入降温、高增益读出单元和高转换增益设计，实现了低噪声、高帧率、大视场和高动态范围等优点。其在生物医学成像、科学成像领域、精密测量中表现出色。
CIS QIS中高CG的实现原理和器件结构示意图[26]
量子图像传感器（Quanta Image Sensor, QIS）
量子图像传感器（Quanta Image Sensor, QIS）是一种基于单光子计数的图像传感器，旨在通过高灵敏度和低噪声实现超低光照条件下的高质量成像。QIS的设计理念源于传统CMOS图像传感器（CIS）在像素尺寸缩小和满阱容量降低时面临的挑战，其核心目标是通过光电计数实现高动态范围和低噪声成像，适用于高速和高精度的成像应用。
TDI图像传感器工作原理图[27-29]
TDI传感器（Time Delay Integration Sensor，时间延迟积分传感器）
TDI传感器是一种特殊类型的线阵图像传感器，主要用于在低光照条件下或高速运动场景中实现高灵敏度和高分辨率的图像采集。其核心原理是通过通过在多个时间切片上积分光信号，显著提高了信噪比（SNR），这一技术叫做时间延迟积分（Time Delay Integration, TDI）技术。具体说来，TDI传感器在每个时间切片上捕获光信号，并将这些信号在时间上进行累加。这种方法类似于在时间域上进行多次曝光，但与传统多次曝光方法不同的是，TDI传感器在每个时间切片上都进行信号积分，物体或传感器匀速运动时，电荷在垂直于扫描方向的多个像素行中逐行转移累加，而不是简单地将多个图像相加。
微光探测器性能对比
这些探测器在物理机制、性能参数及应用场景上存在显著差异，因此需从具体需求出发进行选型。上述微光探测器基于不同的原理、器件结构和材料体系，各自具备独特的性能特点和应用局限性。下表汇总对比了它们的主要性能特点、应用优势以及局限性。
弱光探测器汇总
综合来看，微光探测器的技术路线呈现显著的分化特征。APD与SPAD凭借半导体工艺的兼容性与适中的成本，在激光雷达与生物成像中占据主流；SiPM通过阵列化设计平衡了增益与抗干扰能力，成为高能物理与医学成像的重要工具；PMT与EMCCD作为传统高灵敏度探测器，在紫外-可见光波段仍具不可替代性；SNSPD则以近乎极限的性能推动量子信息领域的突破，但其低温依赖性与高成本构成应用瓶颈；sCMOS与QIS通过CMOS技术创新，在集成度与动态范围上展现潜力；TDI传感器则专注于运动场景的优化。未来，随着二维材料、超导器件及三维集成技术的发展，微光探测器将在灵敏度、响应速度与环境适应性上实现进一步突破，为深空探测、量子计算及实时生物成像提供更强大的硬件支撑。
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