浅析基于量子成像的下一代甚高灵敏度图像传感器技术

    高灵敏度探测成像是空间遥感应用中的一个重要技术领域，如全天时对地观测、空间暗弱目标跟踪识别等应用，对于甚高灵敏度图像传感器的需求日益强烈。随着固态图像传感器技术水平的不断提高，尤其背照式及埋沟道等工艺的突破，使得固态图像传感器的灵敏度有了极大提升。
    固态高灵敏图像传感器，尤其是科学级CMOS图像传感器，凭借其体积小、集成度高及功耗低等优势，在空间高灵敏成像领域的应用中异军突起。尽管科学级CMOS图像传感器可以实现低照度高灵敏成像，但还远未达到单光子探测的辐射分辨能力。量子CMOS图像传感器的出现，对于拓宽空间遥感高灵敏成像应用领域、提升相应的应用水平具有十分重要的意义。
    据麦姆斯咨询报道，北京空间机电研究所潘卫军研究员课题组在《航天返回与遥感》期刊上发表了以“基于量子成像的下一代甚高灵敏度图像传感器技术”为主题的文章。潘卫军研究员主要从事图像传感器设计与应用的研究工作。
    这项研究围绕具有单光子分辨能力的量子CMOS图像传感器这一新型甚高灵敏度图像传感器，从单光子探测的噪声特性以及固态图像传感器的高灵敏技术机理出发，对实现甚高灵敏性能的关键技术进行了介绍；在此基础上，详细论述了量子CMOS图像传感器的技术发展历史，并将量子CMOS图像传感器与其他主流单光子探测传感器的性能进行了对比，总结分析了未来量子CMOS图像传感器技术的发展趋势，针对不同的航天遥感应用需求，分析并展望了量子CMOS图像传感器的应用模式及应用特点。

    图像传感器的探测机理
    要达到单光子探测的甚高灵敏度要求，对等效输入读出噪声的大小有严格要求。甚高灵敏度图像传感器类似用于观测辐射强度的“显微镜”，其本身的噪声只有达到深亚电子水平才能实现单个光子的分辨能力，所以，甚高灵敏度就意味着甚低噪声。减小噪声的技术途径主要包括：（1）增大信号增益；（2）减小各级噪声；（3）实现足够小的暗电流，由于暗电流引入的散粒噪声是无法通过增大信号增益来抑制的，只能通过工艺上的优化来降低暗电流，从而减弱暗电流散粒噪声的影响。另外，根据增大信号增益的不同方法，形成了目前两种不同的甚高灵敏图像传感器主流技术，一种是以EMCCD和SPAD为代表的通过电荷域内的电荷数放大实现信号高增益放大的技术，另一种则是以科学级CMOS和量子CMOS图像传感器为代表的通过增大电荷-电压转换增益或者跨导积分增益实现高增益放大的技术。
    在固态图像传感器领域，CMOS图像传感器技术的发展大致经历了三次技术飞跃：次为无源像素到有源像素的发展；第二次为科学级CMOS图像传感器的发展；第三次是量子CMOS图像传感器的发展。量子CMOS图像传感器的关键技术主要有深亚飞法低浮置扩散（FD）电容技术、跨导变积分放大技术以及列级相关多采样（CMS）技术等。
      深亚飞法级小电容技术
    目前具有单光子探测能力的主流甚高灵敏度图像传感器包括单光子雪崩二极管（SPAD）、EMCCD、科学级CMOS以及量子CMOS图像传感器，对这些器件从分辨率、像元尺寸、量子效率、响应速度、暗电流以及读出噪声六个维度进行了性能比较。  

    主流单光子图像传感器的性能比较
    量子CMOS图像传感器的未来发展趋势将向更低噪声继续推进，更灵活的智能化成像模式。随着航天遥感应用层次的不断深入以及应用领域的不断拓展，甚高灵敏图像传感器的应用需求也将越来越广泛。如何更充分地发挥其甚高灵敏的特点，需要结合不同的遥感应用做深入分析，主要应用有：全天时对地观测、空间态势感知、定量反演。除了上述应用领域，量子CMOS图像传感器因其优异的超低噪声性能，还可以应用到星敏传感器设计、系外行星探测等领域。可以预见，随着量子CMOS图像传感器技术的进一步发展，势必在更多领域得到更加广泛的推广和应用。
    量子CMOS图像传感器技术的重大突破，给高灵敏图像传感器在航天遥感应用领域中的应用格局带来重大变化。因此，应当积极提前布局，一方面深入研究量子CMOS图像传感器的技术特点，另一方面，结合航天遥感应用的需求特点，在拓展应用领域、提升应用水平方面，寻求与量子CMOS图像传感器技术优势的契合，实现我国航天光学遥感器技术水平的跨越式发展。