【導(dǎo)讀】高靈敏度探測(cè)成像是空間遙感應(yīng)用中的一個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域，如全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)、空間暗弱目標(biāo)跟蹤識(shí)別等應(yīng)用，對(duì)于甚高靈敏度圖像傳感器的需求日益強(qiáng)烈。隨著固態(tài)圖像傳感器技術(shù)水平的不斷提高，尤其背照式及埋溝道等工藝的突破，使得固態(tài)圖像傳感器的靈敏度有了極大提升。
固態(tài)高靈敏圖像傳感器，尤其是科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器，憑借其體積小、集成度高及功耗低等優(yōu)勢(shì)，在空間高靈敏成像領(lǐng)域的應(yīng)用中異軍突起。盡管科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)低照度高靈敏成像，但還遠(yuǎn)未達(dá)到單光子探測(cè)的輻射分辨能力。量子CMOS圖像傳感器的出現(xiàn)，對(duì)于拓寬空間遙感高靈敏成像應(yīng)用領(lǐng)域、提升相應(yīng)的應(yīng)用水平具有十分重要的意義。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，北京空間機(jī)電研究所潘衛(wèi)軍研究員課題組在《航天返回與遙感》期刊上發(fā)表了以“基于量子成像的下一代甚高靈敏度圖像傳感器技術(shù)”為主題的文章。潘衛(wèi)軍研究員主要從事圖像傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用的研究工作。
這項(xiàng)研究圍繞具有單光子分辨能力的量子CMOS圖像傳感器這一新型甚高靈敏度圖像傳感器，從單光子探測(cè)的噪聲特性以及固態(tài)圖像傳感器的高靈敏技術(shù)機(jī)理出發(fā)，對(duì)實(shí)現(xiàn)甚高靈敏性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了量子CMOS圖像傳感器的技術(shù)發(fā)展歷史，并將量子CMOS圖像傳感器與其他主流單光子探測(cè)傳感器的性能進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)分析了未來(lái)量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，最后針對(duì)不同的航天遙感應(yīng)用需求，分析并展望了量子CMOS圖像傳感器的應(yīng)用模式及應(yīng)用特點(diǎn)。
圖像傳感器的探測(cè)機(jī)理
要達(dá)到單光子探測(cè)的甚高靈敏度要求，對(duì)等效輸入讀出噪聲的大小有嚴(yán)格要求。甚高靈敏度圖像傳感器類(lèi)似用于觀測(cè)輻射強(qiáng)度的“顯微鏡”，其本身的噪聲只有達(dá)到深亞電子水平才能實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子的分辨能力，所以，甚高靈敏度就意味著甚低噪聲。減小噪聲的技術(shù)途徑主要包括：（1）增大信號(hào)增益；（2）減小各級(jí)噪聲；（3）實(shí)現(xiàn)足夠小的暗電流，由于暗電流引入的散粒噪聲是無(wú)法通過(guò)增大信號(hào)增益來(lái)抑制的，只能通過(guò)工藝上的優(yōu)化來(lái)降低暗電流，從而減弱暗電流散粒噪聲的影響。另外，根據(jù)增大信號(hào)增益的不同方法，形成了目前兩種不同的甚高靈敏圖像傳感器主流技術(shù)，一種是以EMCCD和SPAD為代表的通過(guò)電荷域內(nèi)的電荷數(shù)放大實(shí)現(xiàn)信號(hào)高增益放大的技術(shù)，另一種則是以科學(xué)級(jí)CMOS和量子CMOS圖像傳感器為代表的通過(guò)增大電荷-電壓轉(zhuǎn)換增益或者跨導(dǎo)積分增益實(shí)現(xiàn)高增益放大的技術(shù)。
在固態(tài)圖像傳感器領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三次技術(shù)飛躍：第一次為無(wú)源像素到有源像素的發(fā)展；第二次為科學(xué)級(jí)CMOS圖像傳感器的發(fā)展；第三次是量子CMOS圖像傳感器的發(fā)展。量子CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要有深亞飛法低浮置擴(kuò)散（FD）電容技術(shù)、跨導(dǎo)變積分放大技術(shù)以及列級(jí)相關(guān)多采樣（CMS）技術(shù)等。
深亞飛法級(jí)小電容技術(shù)
目前具有單光子探測(cè)能力的主流甚高靈敏度圖像傳感器包括單光子雪崩二極管（SPAD）、EMCCD、科學(xué)級(jí)CMOS以及量子CMOS圖像傳感器，對(duì)這些器件從分辨率、像元尺寸、量子效率、響應(yīng)速度、暗電流以及讀出噪聲六個(gè)維度進(jìn)行了性能比較。
主流單光子圖像傳感器的性能比較
量子CMOS圖像傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將向更低噪聲繼續(xù)推進(jìn)，更靈活的智能化成像模式。隨著航天遙感應(yīng)用層次的不斷深入以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，甚高靈敏圖像傳感器的應(yīng)用需求也將越來(lái)越廣泛。如何更充分地發(fā)揮其甚高靈敏的特點(diǎn)，需要結(jié)合不同的遙感應(yīng)用做深入分析，主要應(yīng)用有：全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)、空間態(tài)勢(shì)感知、定量反演。除了上述應(yīng)用領(lǐng)域，量子CMOS圖像傳感器因其優(yōu)異的超低噪聲性能，還可以應(yīng)用到星敏傳感器設(shè)計(jì)、系外行星探測(cè)等領(lǐng)域。可以預(yù)見(jiàn)，隨著量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，勢(shì)必在更多領(lǐng)域得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。
量子CMOS圖像傳感器技術(shù)的重大突破，給高靈敏圖像傳感器在航天遙感應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用格局帶來(lái)重大變化。因此，應(yīng)當(dāng)積極提前布局，一方面深入研究量子CMOS圖像傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，另一方面，結(jié)合航天遙感應(yīng)用的需求特點(diǎn)，在拓展應(yīng)用領(lǐng)域、提升應(yīng)用水平方面，尋求與量子CMOS圖像傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)的契合，實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天光學(xué)遙感器技術(shù)水平的跨越式發(fā)展。
該項(xiàng)目獲得國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程的支持。
來(lái)源：MEMS
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