单光子计数相机极弱光探测原理与像素传感架构解析

更新时间：2026-08-17

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单光子计数相机的核心能力，是在光子通量极低的场景下，将每个到达传感器的光子转化为可识别的电信号，实现“一个光子都不放过”的极限探测。这背后依赖独特的雪崩增益机制与阵列化像素架构。

　　一、极弱光探测原理：盖革模式与光子计数

　　单光子计数相机的探测核心是单光子雪崩二极管（SPAD）。与普通光电二极管不同，SPAD被偏置在高于击穿电压的反向电压下工作，即盖革模式。在此状态下，PN结内部存在强的电场。当一个入射光子被吸收并产生一个电子-空穴对时，这个载流子在强电场中被加速，碰撞出更多载流子，触发一场自持的雪崩电离，瞬间产生一个可被识别的大电流脉冲。

　　由于雪崩是自持的，必须通过淬灭电路终止——被动淬灭利用串联电阻降压熄灭，主动淬灭则通过高速比较器和开关快速拉低偏置电压，恢复速度更快。每个光子触发一次雪崩，输出一个数字脉冲，因此SPAD的输出本质上是二值信号——“有光子”或“无光子”。通过在一个固定时间窗口内累加脉冲次数，即可获得该像素上的光子计数。

　　二、像素传感架构：从单点向阵列的演进

　　早期的单光子成像需通过逐点扫描完成，效率低下。现代单光子计数相机将SPAD以阵列形式集成在芯片上，每个像素都是一个独立的单光子探测器，包含SPAD及其配套的信号处理电路。

　　在典型的二维SPAD阵列中，每个像素单元内部不仅集成了SPAD，还集成了模拟前端（信号放大与整形）和数字处理电子器件（如计数器或时间-数字转换器）。每个像素独立工作，在设定的采集时间内直接统计所探测到的光子数，实现“全数字化”采集，输出的是数字信号而非模拟灰度值。

　　为提高光的利用率，像素上方可集成微透镜阵列，将入射光汇聚到SPAD的感光区域，有效提升填充因子（感光面积占比）。为实现飞行时间测距或荧光寿命成像等时间分辨功能，像素内还可集成时间-数字转换器，记录每个光子到达的精确时间。

　　三、技术挑战与工程权衡

　　SPAD阵列化面临若干固有挑战：暗计数率（无光照时的热激发误触发）、余脉冲效应（雪崩后残余载流子引发的二次误触发）以及像素间的串扰。这些噪声源限制了成像质量，需通过工艺优化和电路设计（如深结构抑制热泄漏、主动淬灭减少余脉冲）加以抑制。此外，高的数据吞吐量对读出电路和带宽也构成巨大压力。