SPAD阵列单光子探测器

单光子雪崩二极管（SPAD）可以探测单光子，通常他们的时间分辨率可以达到百皮秒量级。单像素SPAD目前已经广泛应用于天文学、流式细胞仪、荧光寿命成像显微镜（FLIM）、量子光学、量子秘钥分发和单分子检测等领域。在过去10年中，SPAD技术通过使用CMOS技术得到了进一步发展。这位SPAD阵列和SPAD图像传感器架构铺平了道路，从而可以以紧凑和可扩展的方式增加SPAD像素的数量，从而帮助用户更好的应用于单光子探测的应用。

与单像素SPAD相比较，阵列SPAD可以帮助用户提升空间分辨率和信噪比（SNR）。例如，在共聚焦显微成像应用中，SPAD阵列中的每一个像素都可以看做是具有良好横向和轴向分辨率的虚拟小针孔，而多个像素收集虚拟大针孔的信号。结合图像处理的软件算法，便可以进一步提升图像的空间分辨率和信噪比。
然而，早期使用CMOS工艺制造的SPAD阵列，表现出低灵敏度和高暗计数。此外，由于每个SPAD都需要保护环结构和集成电子设备，因此这些探测器存在填充因子低的问题。
目前，优化定制后的制造工艺、新型的设计方案，以及集成微透镜阵列，可以使SPAD阵列克服以上限制，并达到与单像素SPAD相当的灵敏度和低噪声水平。
因此，SPAD阵列探测器正在兴起，从而彻底改变共聚焦显微镜，以及其他需要通过单光子探测器提高空间和时间分辨率的应用领域。

为什么使用SPAD？

虽然传统的光电探测器，如光电二极管和雪崩光电二极管可能会提供更高的灵敏度（以量子效率量化），但SPAD擅长读取较弱的光信号，以提高SNR（如图1和图2）

弱光信号通常来自于微弱的光发射器，例如小颗粒、低透过率或快速成像。除了在探测弱光信号时表现出高SNR外，SPAD在测量光子到达时间时也十分精确（<150ps时间分辨率）。这来源于电荷倍增增益的直接结果。以上优点使SPAD成为上表总结的应用中特别吸引人的探测器。

目前，采用标准CMOS工艺构建的SPAD阵列探测器，提升了SPAD探测器的扩展能力，新的设计和生产平台可以可靠的生产高像素数的SPAD探测器，并可以集成淬灭和充电、时间标签记录和光子计数功能，SPAD阵列探测器的数据处理范围从简单的SPAD电脉冲信号输出，升级为全数字信号处理的设备。这可以极大的方便用户在不同的应用中使用。


图 2. 具有 80% 灵敏度和 10 e− 信号（仅代表高速读出模式）等效读出噪声（上图）和具有 50% 灵敏度（下图）的 SPAD 之间的 SNR 差异演示，两者均在平均 10 个光子。由 Pi 成像技术公司提供。

SPAD阵列探测器借助其出色的时间精度，已经在很多应用中得到使用。其中比较突出的应用之一实在激光雷达中使用SPAD阵列探测器，该技术也被大量采用以集成到智能手机中。
SPAD阵列探测器同样在生物医学应用中展现出不俗的潜力，比如荧光寿命成像，时间分辨拉曼光谱和PET。在这些领域中，利用并行像素来避免FLIM中的堆积效应，通过时间门控可以改进拉曼检测，并可以通过SPAD的时间分辨率来提高PET的空间分辨率。然而，SPAD技术较低的灵敏度、较高的噪声和创新周期长阻碍了在上述应用中的使用。
不过在过去十年中，SPAD阵列探测器的量子效率从30%提升到超过50%峰值量子效率，并且将暗计数从100cps/μm2降低至小于1cps/μm2，性能的提升十分显著，这也为生物医学应用中扫清了障碍。

瑞士PI Imaging公司目前已经推出了两款产品，SPAD23和SPAD512S，其中SPAD23由23个像素组成，每个像素都集成了TDC模块，计数率可以达到180Mcps，当应用于图像扫描显微镜（ISM）时，这款探测器可以提高成像的空间分辨率和信号强度。
因为SPAD23的每一个像素都可以当做一个具有良好横向和轴向分辨率的虚拟小针孔，而多个像素收集虚拟大针孔的信号。最后，可以通过像素重新分配的数学方法，便可以获得超高分辨率的最终图像。

荧光寿命成像（FLIM）应用同样受益于SPAD阵列探测器，通过像素并行可以提高计数率，从而实现更快的成像速度。由于SPAD23已经具备TDC模块，当和图像扫描显微镜同步扫描时钟后，配合皮秒脉冲激光器及显微镜的扫描装置，就可以轻松实现FLIM功能。

另外一款产品，SPAD512S具备512×512像素，零读出噪声，成像速度更是可以达到惊人的100000fps，所以特别适合用于高速门控成像，激光雷达，量子成像，荧光寿命成像等应用。

这款产品应用于FLIM时，可以实现宽场成像，所以特别适合在宽场显微镜上升级FLIM功能，当应用于SIM等超高分辨率显微镜时，可以帮助用户获取荧光寿命的信息，进一步扩展超分辨率显微镜的功能。
而在高速成像中，由于图像传感器通常会受到低SNR的影响，由于积分时间短，光子收集少，图像容易模糊，同时，更快的读出速度也会增加图像收集中的噪声。SPAD单光子相机消除了这种噪声，以提供最大化的SNR。

总之，借助CMOS技术，更先进的SPAD阵列探测器目前已经初露锋芒，可以进一步改善共聚焦显微镜，以及需要提高光子计数探测器空间和时间分辨率的应用领域。
SPAD阵列探测器作为一款令人兴奋的产品，提高了很多关键性能参数，包括信噪比、采集速度、激发光强度阈值、空间和时间分辨率——而所有这些改善都几乎不会增加系统的复杂性。
与此同时，SPAD阵列探测器也提供了新的机会，将FLIM解决方案扩展到药物开发、医学诊断和手术临床辅助等领域。
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