淺析基于量子成像的下一代甚高靈敏度圖像傳感器技術(shù)

高靈敏度探測成像是空間遙感應用中的一個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域，如全天時(shí)對地觀(guān)測、空間暗弱目標跟蹤識別等應用，對于甚高靈敏度圖像傳感器的需求日益強烈。隨著(zhù)固態(tài)圖像傳感器技術(shù)水平的不斷提高，尤其背照式及埋溝道等工藝的突破，使得固態(tài)圖像傳感器的靈敏度有了極大提升。

固態(tài)高靈敏圖像傳感器，尤其是科學(xué)級CMOS圖像傳感器，憑借其體積小、集成度高及功耗低等優(yōu)勢，在空間高靈敏成像領(lǐng)域的應用中異軍突起。盡管科學(xué)級CMOS圖像傳感器可以實(shí)現低照度高靈敏成像，但還遠未達到單光子探測的輻射分辨能力。量子CMOS圖像傳感器的出現，對于拓寬空間遙感高靈敏成像應用領(lǐng)域、提升相應的應用水平具有十分重要的意義。

據麥姆斯咨詢(xún)報道，北京空間機電研究所潘衛軍研究員課題組在《航天返回與遙感》期刊上發(fā)表了以“基于量子成像的下一代甚高靈敏度圖像傳感器技術(shù)”為主題的文章。潘衛軍研究員主要從事圖像傳感器設計與應用的研究工作。

這項研究圍繞具有單光子分辨能力的量子CMOS圖像傳感器這一新型甚高靈敏度圖像傳感器，從單光子探測的噪聲特性以及固態(tài)圖像傳感器的高靈敏技術(shù)機理出發(fā)，對實(shí)現甚高靈敏性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹；在此基礎上，詳細論述了量子CMOS圖像傳感器的技術(shù)發(fā)展歷史，并將量子CMOS圖像傳感器與其他主流單光子探測傳感器的性能進(jìn)行了對比，總結分析了未來(lái)量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢，最后針對不同的航天遙感應用需求，分析并展望了量子CMOS圖像傳感器的應用模式及應用特點(diǎn)。

圖像傳感器的探測機理

要達到單光子探測的甚高靈敏度要求，對等效輸入讀出噪聲的大小有嚴格要求。甚高靈敏度圖像傳感器類(lèi)似用于觀(guān)測輻射強度的“顯微鏡”，其本身的噪聲只有達到深亞電子水平才能實(shí)現單個(gè)光子的分辨能力，所以，甚高靈敏度就意味著(zhù)甚低噪聲。減小噪聲的技術(shù)途徑主要包括：（1）增大信號增益；（2）減小各級噪聲；（3）實(shí)現足夠小的暗電流，由于暗電流引入的散粒噪聲是無(wú)法通過(guò)增大信號增益來(lái)抑制的，只能通過(guò)工藝上的優(yōu)化來(lái)降低暗電流，從而減弱暗電流散粒噪聲的影響。另外，根據增大信號增益的不同方法，形成了目前兩種不同的甚高靈敏圖像傳感器主流技術(shù)，一種是以EMCCD和SPAD為代表的通過(guò)電荷域內的電荷數放大實(shí)現信號高增益放大的技術(shù)，另一種則是以科學(xué)級CMOS和量子CMOS圖像傳感器為代表的通過(guò)增大電荷-電壓轉換增益或者跨導積分增益實(shí)現高增益放大的技術(shù)。

在固態(tài)圖像傳感器領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三次技術(shù)飛躍：第一次為無(wú)源像素到有源像素的發(fā)展；第二次為科學(xué)級CMOS圖像傳感器的發(fā)展；第三次是量子CMOS圖像傳感器的發(fā)展。量子CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要有深亞飛法低浮置擴散（FD）電容技術(shù)、跨導變積分放大技術(shù)以及列級相關(guān)多采樣（CMS）技術(shù)等。

深亞飛法級小電容技術(shù)

目前具有單光子探測能力的主流甚高靈敏度圖像傳感器包括單光子雪崩二極管（SPAD）、EMCCD、科學(xué)級CMOS以及量子CMOS圖像傳感器，對這些器件從分辨率、像元尺寸、量子效率、響應速度、暗電流以及讀出噪聲六個(gè)維度進(jìn)行了性能比較。

主流單光子圖像傳感器的性能比較

量子CMOS圖像傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢將向更低噪聲繼續推進(jìn)，更靈活的智能化成像模式。隨著(zhù)航天遙感應用層次的不斷深入以及應用領(lǐng)域的不斷拓展，甚高靈敏圖像傳感器的應用需求也將越來(lái)越廣泛。如何更充分地發(fā)揮其甚高靈敏的特點(diǎn)，需要結合不同的遙感應用做深入分析，主要應用有：全天時(shí)對地觀(guān)測、空間態(tài)勢感知、定量反演。除了上述應用領(lǐng)域，量子CMOS圖像傳感器因其優(yōu)異的超低噪聲性能，還可以應用到星敏傳感器設計、系外行星探測等領(lǐng)域?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，勢必在更多領(lǐng)域得到更加廣泛的推廣和應用。

量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的重大突破，給高靈敏圖像傳感器在航天遙感應用領(lǐng)域中的應用格局帶來(lái)重大變化。因此，應當積極提前布局，一方面深入研究量子CMOS圖像傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，另一方面，結合航天遙感應用的需求特點(diǎn)，在拓展應用領(lǐng)域、提升應用水平方面，尋求與量子CMOS圖像傳感器技術(shù)優(yōu)勢的契合，實(shí)現我國航天光學(xué)遙感器技術(shù)水平的跨越式發(fā)展。

該項目獲得國家重大科技專(zhuān)項工程的支持。

來(lái)源：MEMS