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《单光子成像》第八章预习2025.6.22

news 2025/6/23 16:19:51

第八章聚焦于通过噪声最小化实现单光子CMOS成像，核心目标是优化CMOS图像传感器的设计，以降低噪声对单光子探测的影响，提升成像信噪比（SNR）和分辨率。本章从理论、电路结构、优化策略三方面展开，结合单光子成像的特殊性，提出了一套完整的低噪声CMOS成像解决方案。

理论基础
- 量子效率（QE）与调制传递函数（MTF）：
  - 量子效率定义：光生载流子数与入射光子数的比值，反映传感器对光子的捕获能力。
  - MTF描述成像系统对空间频率的响应能力，影响图像细节分辨率。
- 光电载流子探测概率：
  - 单光子成像中，光子转换为电信号的概率受材料、结构、偏置电压等因素影响。
- 噪声分类：
  - 加性时域噪声：散粒噪声（光子到达随机性）、热噪声（载流子热扰动）。
  - 相关时域噪声：1/f噪声（低频闪烁噪声）、固定图案噪声（FPN，制造工艺差异导致）。
CMOS图像传感器结构
- 4T像素结构：
  - 包含钉扎光电二极管（PPD）、传输管、复位管、源极跟随器、行选管。
  - 优势：通过相关双采样（CDS）消除复位噪声和FPN。
- 列级放大与CDS：
  - 列级放大器降低读出噪声，CDS技术通过两次采样（复位电平、信号电平）抑制低频噪声。
噪声抑制策略
- 电子学优化：
  - 放大器设计：低噪声、高带宽放大器提升信号质量。
  - 带宽控制：通过电容、电阻网络限制高频噪声。
- 光学优化：
  - 填充系数（FF）提升：增大光电二极管面积占比，提高光子捕获效率。
  - 微透镜阵列：聚焦光线至光电二极管，减少光损失。

关键公式与指标
- 信噪比（SNR）：
  $SNR=\frac{N_s}{\sqrt{N_s^2+N_d^2+N_r^2}}$
  
  其中， $N_s$ 为信号光子数， $N_d$ 为暗电流噪声， $N_r$ 为读出噪声。
- 量子效率（QE）：
  $\eta = \frac{N_e}{N_\gamma} \times 100\%$
  $N_e$ 为光生载流子数， $\N_\gamma$ 为入射光子数。
结构对比
- 4T像素 vs. 3T像素：
  - 4T像素通过PPD和CDS显著降低噪声，但增加工艺复杂度。
- 电容式跨导放大器（CTIA）：
  - 优势：高注入效率、低噪声；劣势：面积较大，适合低光照场景。
优化设计流程
- 电子学优化步骤：
  1. 选择低噪声放大器拓扑（如折叠共源共栅）。
  2. 通过电容匹配、电阻修剪降低FPN。
  3. 采用动态范围压缩技术（如双采样）。
- 光学优化步骤：
  1. 设计高填充系数像素布局。
  2. 优化微透镜曲率与排列。
  3. 采用背照式（BSI）CMOS结构，减少光损失。

噪声来源与抑制
- 散粒噪声：不可避免，需通过提高QE或延长曝光时间缓解。
- 热噪声：通过低温工作或低噪声电路设计抑制。
- 1/f噪声：采用相关双采样（CDS）或斩波稳定技术。
- 固定图案噪声（FPN）：通过校准或差分信号处理消除。
像素结构创新
- 钉扎光电二极管（PPD）：
  - 减少暗电流，提高电荷传输效率。
- 相关双采样（CDS）：
  - 两次采样（复位电平、信号电平）相减，消除复位噪声和FPN。
系统级优化
- 带宽控制：
  - 通过RC滤波网络限制高频噪声，平衡噪声与响应速度。
- 电子-光学协同设计：
  - 结合微透镜、滤光片、像素结构，最大化光子利用率。