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光电探测与成像技术从CMOS图像传感器到单光子探测.docx
资料介绍
光电探测与成像技术从CMOS图像传感器到单光子探测
引言
光电探测与成像技术是数字世界的眼睛，从智能手机摄像头到天文望远镜，从自动驾驶感知到医学影像诊断，光电探测器无处不在。2026年，光电探测技术正沿着两条主线快速发展：一是CMOS图像传感器在分辨率、动态范围和低光性能方面的持续提升，二是单光子探测技术在量子通信、激光雷达和生物医学成像领域的突破性应用。SPAD（单光子雪崩二极管）和SiPM（硅光电倍增管）等单光子探测器已从实验室走向商业化应用。
CMOS图像传感器技术
像素结构演进
1. 前照式（FSI）：传统结构，光从金属层上方入射，受金属遮挡影响
2. 背照式（BSI）：光从硅片背面入射，无金属层遮挡，量子效率更高
3. 堆叠式：像素层和逻辑电路层独立制造后堆叠，像素面积和电路性能均可优化
CMOS图像传感器的像素尺寸已从早期的数微米缩小至0.5μm以下，单芯片像素数量突破2亿，在智能手机和工业相机中实现了极高分辨率的成像。
关键性能指标
1. 量子效率：转换光子的效率，背照式结构可达90%以上
2. 动态范围：单次曝光可同时记录暗部和亮部细节的能力，HDR模式可达120dB以上
3. 帧率：每秒可采集的图像帧数，高速相机可达每秒数万帧
4. 信噪比：信号与噪声的比值，决定了图像质量的下限
单光子探测技术
SPAD探测器
单光子雪崩二极管（SPAD）工作在高偏压模式，当一个光子被吸收产生电子-空穴对时，触发雪崩倍增，产生可检测的电流脉冲。SPAD探测器可检测单个光子，具有极高的灵敏度。2026年，SPAD阵列的像素规模已从早期的32×32扩展至512×512以上。
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