Nat. Commun. | 大规模高分辨单光子成像

本文由论文作者团队（课题组）投稿

单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，简称SPAD）阵列因其极佳的单光子灵敏度而受到广泛关注，已广泛应用于量子通信与计算、荧光寿命成像、时间飞行成像等各个领域。与同样具有较高灵敏度的EMCCD和sCMOS相比，SPAD阵列能够在极低噪声水平下获取光子级别的光信号，并进行直接光子数字转换，可以有效消除读出噪声并提高读出速度。

SPAD由于其特殊的制造工艺与结构，图像分辨率相比传统的CMOS传感器大幅降低。传统的CMOS传感器在2012年便达到了数十兆像素的规模，而SPAD为了防止电子雪崩的击穿效应出现，难以突破较大像素保护环尺寸的限制，在2020年才达到了百万像素分辨率。商业SPAD产品的造价要比CMOS传感器每像素高8个数量级。

除了上述图像分辨率规模小之外，SPAD还面临以下瓶颈难题：

1）位深低，SPAD进行直接光子-数字转换，在曝光时间内由光子导致的雪崩效应直接采集1bit光子信息；

2）噪声模型复杂，SPAD实际噪声模型并非仅仅包含泊松-高斯噪声，除光子通过光电效应激发电子导致雪崩效应引入的散粒噪声外，其他多种物理噪声源包括固定模式噪声、后脉冲、像素串扰以及淬灭电路引入deadtime等等，进一步导致了