本文通過對近年來SPAD單光子相機領(lǐng)域儀器進行了介紹键痛，并重點介紹了由PI imaging公司推出的SPAD 512*512相機的相關(guān)應用。
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新型SPAD單光子相機簡介
熒光壽命顯微成像（FLIM）是生命科學的重要工具匾七，在生物物理學和生物化學與醫(yī)學應用十分廣泛絮短。與傳統(tǒng)的熒光強度成像相比，熒光壽命成像的主要優(yōu)點包括對熒光團濃度昨忆、光致漂白和深度不敏感丁频。此外，熒光壽命對各種環(huán)境參數(shù)，如氧含量或pH的敏感性席里，使其成為功能成像的有效工具叔磷。且當背景熒光壽命與目標顯著不同時，F(xiàn)LIM允許通過門控來抑制背景熒光奖磁。
時域?qū)?mark class="span_mark" data-type="1">視場FLIM常用的圖像傳感器技術(shù)包括時間門控圖像增強器與scmos或ccd相機相結(jié)合改基，或微通道板（MCP）和基于光電陰極的寬視場探測器結(jié)合。由于增強器的增益較大咖为，時間門控圖像增強器的動態(tài)范圍較低秕狰，且成本昂貴。由于涉及的超高電壓躁染，MCP在zui大可實現(xiàn)的全局計數(shù)率上是很有限的鸣哀，且實際使用同樣昂貴和復雜。標準cmos技術(shù)中單光子雪崩二極管（SPADs）的發(fā)展吞彤，以及大型CMOS SPAD陣列的引入我衬，創(chuàng)造了具有并行讀出和快速數(shù)據(jù)處理的多通道單光子計數(shù)的潛力。因為CMOS技術(shù)支持模塊化饰恕、可擴展構(gòu)建挠羔，具有大型計數(shù)器和快速電子處理能力，其完全集成了的門控選項懂盐，因此SPADs可以達到高定時性能褥赊，并且沒有全局計數(shù)限制。直到zui近莉恼，兆像素時間分辨SPAD相機的主要問題是采用專用時間戳和光子計數(shù)電路的智能SPAD像素的小型化拌喉。下面我們將介紹SPAD技術(shù)的相關(guān)原理。
單光子雪崩二極管（SPAD）是熒光相關(guān)光譜（FCS）等單光子計數(shù)應用的主要工具俐银。這些探測器可以被視為等效于光電倍增管尿背，光電倍增管將入射光子轉(zhuǎn)換為可以計數(shù)的電脈沖。
它們計數(shù)單個光子的能力減少了增益噪聲或電路噪聲的影響捶惜。SPAD是在擊穿電壓Vbreak以上工作的光電探測器田藐，即所謂的GEIGER模式（蓋格模式）。這是通過施加遠高于擊穿電壓Vbreak的反向偏置運行電壓VOP來實現(xiàn)的吱七。單個入射光子會產(chǎn)生雪崩汽久，可以很容易地檢測和計數(shù)。當工作在擊穿電壓以下時踊餐，雪崩效應導致隨機增益景醇，該增益與光電流成比例。
圖1(a)顯示了通過用作SPAD的p+-π-p-n+的APD結(jié)構(gòu)的典型河段的橫截面吝岭。它由四個不同摻雜的區(qū)域三痰、兩個低摻雜區(qū)域π和p以及兩個高摻雜區(qū)域p+和n+構(gòu)建吧寺。光子吸收發(fā)生在相對較大的π區(qū)。光子撞擊該區(qū)域以一定的概率在二極管的低摻雜吸收區(qū)域π內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對散劫。注入吸收區(qū)的單個電荷載流子隨后在偏置場中被放大為電子雪崩稚机，即所謂的雪崩擊穿，如圖1(b)所示获搏。這些雪崩可以被檢測為強電流尖峰畜号。
圖1 單光子雪崩二極管的示意圖 （a）用作SPAD的穿透p+-π-p-n+APD結(jié)構(gòu)的截面屋休，包括反向電壓下的空間電荷分布哈恰。右邊的圖顯示了電場的強度驰吓。p+和n+區(qū)域是重摻雜的棵里。（b） 反向電壓下SPAD中的電荷載流子倍增
漂移過程由VOP驅(qū)動粥诫，并受到載流子與半導體晶格碰撞的限制咒吐。當電子到達倍增區(qū)時但荤，一個具有高電場|?→E（?）|的薄p?n+結(jié)早芭，通過重復的沖擊電離產(chǎn)生一個具有數(shù)百萬二次電子的雪崩彼城。在apd中，放大隨著反向偏置VOP的增加而增加退个。如果VOP高于擊穿電壓Vbreak募壕，放大幾乎是無限的。在這一點上语盈，光子產(chǎn)生自我維持的雪崩舱馅，而雪崩光電二極管（APD）以光子計數(shù)或蓋革模式工作。在一個光子擊中探測器后不久刀荒，電流就會隨著雪崩的開始而上升代嗤，并導致穿過整個SPAD的電阻下降。通過將SPAD與電阻串聯(lián)起來缠借，可以通過鑒別電路檢測到VSPAD的擊穿（如圖2a所示）干毅。每次雪崩都必須停止，即所謂的熄滅泼返，以避免損壞二極管由于電流硝逢，并重新進行部署。通常绅喉，可能有兩種實現(xiàn)：
主動猝滅：通過添加一個專用電路來檢測雪崩并主動降低VSPAD渠鸽，雪崩停止。
無源猝滅：一個電阻器與SPAD串聯(lián)柴罐。如果電流增加通過二極管徽缚，電阻器上的較高電壓下降，從而降低二極管電壓VSPAD丽蝎，直到
VSPAD＜Vbreak猎拨，雪崩停止膀藐。該電路如圖2.2a所示，電壓曲線红省、電流的發(fā)展如圖2.2b所示额各。
圖2 單光子雪崩二極管的無源猝滅電路 (a) 具有串聯(lián)電阻器的SPAD的無源熄滅電路。（b） 電路中電壓和電流的過程吧恃。
無論使用主動還是被動停止虾啦，SPAD的反向偏置電壓都會降低到擊穿電壓以下。這會使SPAD失活痕寓，因為現(xiàn)在二極管兩端的電壓太低傲醉，無法引起另一次雪崩并檢測到任何光子。這種“停滯時間”（通常在100 ns的數(shù)量級）可以通過縮短RQ來減少呻率。這種技術(shù)被稱為主動充電硬毕。
檢測器的反饋導致并非由實際光子檢測引起的額外脈沖。當電荷載流子被捕獲在耗盡區(qū)中并在SPAD再次運行時的短隨機周期后被釋放時礼仗，可能會發(fā)生所謂的后脈沖吐咳。這些載流子然后重新觸發(fā)雪崩，而雪崩不是由實際的光子引起的元践。研究表明韭脊，后脈沖遵循冪律時序分布。
在二十一世紀单旁，SPAD陣列已經(jīng)被開發(fā)出來沪羔，以允許在高幀率下進行類似相機的單光子成像。這些傳感器由眾多以像素陣列結(jié)構(gòu)組織的單個SPAD組成象浑，如同傳統(tǒng)相機蔫饰。它們通常基于CMOS芯片融柬。一些設備還集成了附加的停止或讀出電路死嗦，部分基于每個像素。zui不復雜的器件是具有二極管的線性SPAD陣列粒氧，其在外部完全可訪問越除。對外部電子設備進行停止和讀出。同時外盯，還開發(fā)了二維探測器摘盆。盡管像素是矩形的，但由于高電場強度饱苟，SPAD在這些器件中通常是圓形的孩擂。隨著單個SPAD數(shù)量的增加，不再可能完全訪問每個二極管箱熬。像素變得可以行訪問类垦，共享列輸出通常連接到數(shù)據(jù)處理電子設備狈邑，例如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。2005年蚤认，32×32像素的探測器問世米苹。每個32×32像素包含一個集成鑒別器和一個列輸出驅(qū)動器，實現(xiàn)為五個晶體管砰琢。只能同時尋址和讀取一個像素（參見圖2.3c中的像素結(jié)構(gòu)）蘸嘶。上述傳感器不適合于以高時間分辨率讀出許多像素。要么只有一行SPAD可用陪汽，要么必須在測量之前選擇像素训唱。在后一種情況下，采用掃描來模擬成像挚冤。為了允許同時使用大量像素進行成像况增，必須掃描所有像素。因此你辣，檢測到光子的信息必須保持不變巡通，直到可以讀取像素為止尘执。SPAD的有效區(qū)域舍哄，即實際檢測光子的像素區(qū)域，對于單光子探測器至關(guān)重要誊锭。為了將像素中的電路面積保持在zui小值表悬，從而允許更大的SPAD，主要的實現(xiàn)方式是使用單比特存儲器丧靡。在現(xiàn)有的SPAD陣列中蟆沫，這通常需要12個或更多的晶體管。保存的信息僅告訴是否未檢測到或至少檢測到一個光子（像素結(jié)構(gòu)參見圖2.3d）温治。當SPAD檢測到一個以上光子時饭庞，可以通過增加讀出速度來降低錯過光子事件的概率。來自這樣的陣列的數(shù)據(jù)通常是逐行讀取的熬荆。當一行被讀取時舟山，存儲器的狀態(tài)被重置，并且下一行被訪問卤恳。這種操作模式被稱為“滾動快門”模式累盗，在CMOS相機中也很常見。
圖3 具有不同像素設計的SPAD陣列突琳。
a）可按行訪問的SPAD陣列若债。（b）在每個像素中嵌入tdc以解析光子事件的定時。通常光子時間標簽被保存在每個像素中拆融，以供以后讀出蠢琳。（c）每個像素都是可單獨尋址的啊终，沒有其他電路。（d）鎖存器存儲每個像素中的光子事件傲须。需要額外的復位信號孕索。每個像素輸出端的開關(guān)由行解碼器控制。
SwissSPAD2躏碳，即SPAD512s的前身搞旭，是一款經(jīng)典的SPAD成像傳感器，其尺寸為512×512像素菇绵，是迄今為止zui大的尺寸肄渗，具有基于時間門控的時間分辨成像能力。
圖4 p-i-n SPAD的橫截面
該傳感器中使用的SPAD基于p-i-n結(jié)咬最。它的設計目的是以相對較低的填充因子為代價翎嫡，實現(xiàn)較低的DCR和串擾。如圖4所示永乌，p-i-n SPAD被嵌入到具有總共11個NMOS晶體管的數(shù)字像素中惑申。如圖5所示，像素的主要功能是：無源猝滅（T2）翅雏、有源充電（T3）圈驼、時間門控（T3、T4望几、T5）绩脆、1位DRAM（T9）、存儲器復位（T7和T8）和數(shù)字讀出（T10）橄抹。增加共源共柵晶體管（T1）是為了將zui大過量偏置從3.6 V可靠地增加到5.2 V靴迫，這超出了所采用的CMOS技術(shù)的標準工作電壓。zui大過量偏壓從3.6 V增加到5.2 V楼誓，使光子探測概率（PDP）改善約20%玉锌，而在25℃時暗計數(shù)率（DCR）增加約65%。調(diào)節(jié)過量偏壓使得在高PDP和低DCR之間的權(quán)衡中提供了廣泛的選擇疟羹。像素的基本流程如圖6所示主守。門控信號獨立于讀出信號被發(fā)送到像素陣列。因此阁猜，諸如分辨率和測量范圍之類的時間門控參數(shù)不影響讀出速度丸逸。門控信號與激光時鐘同步。如果像素在時間門內(nèi)檢測到光子剃袍，則對1位DRAM進行充電黄刚。請注意，在讀出周期中只能檢測到一個光子（引入計數(shù)丟失或堆積民效，這可以在后處理過程中進行校正）憔维，盡管我們每次讀出使用多個門涛救。與電荷累積CCD/CMOS和模擬SPAD成像器不同，多個光子計數(shù)不能存儲在單個電容器中业扒。在數(shù)字SPAD像素中检吆，這需要計數(shù)器或多個RAM模塊，這將占據(jù)很大面積程储，因此如果要在像素級實現(xiàn)該功能蹭沛，則會相應降低填充因子。1位數(shù)字像素的選擇zui大化了填充因子并消除了讀出噪聲章鲤，使暗計數(shù)（和后脈沖）成為系統(tǒng)中唯yi的噪聲源摊灭。在這種特殊情況下，1位數(shù)字像素的選擇也因壽命成像中通常較低的光子計數(shù)率而合理败徊。像素的間距為16.38μm帚呼，填充因子為10.5%≈灞模基于設計模擬和之前的測量煤杀，微透鏡有望將填充因子提高五倍，達到50%以上沪哺。
圖5 像素晶體管平面圖
圖6 滾動快門模式下傳感器的時序圖沈自。每個門序列的幀數(shù)和門序列的數(shù)量是用戶可選擇的參數(shù)。在該圖中凤粗，為了簡單起見酥泛，兩個參數(shù)都設置為2。每個門序列的1比特幀的數(shù)目越高嫌拣，則動態(tài)范圍越高。門控移位過程引入了65ns的死區(qū)時間呆躲，每次位移35.7ps异逐，這與單個幀的讀出相比是微不足道的。
現(xiàn)在插掂，zui新的SPAD512S單光子相機已經(jīng)問世灰瞻。其由瑞士Pi imaging公司推出，是一款用于高速成像的光子計數(shù)相機辅甥，現(xiàn)已在寬場熒光壽命成像酝润，量子成像，高速成像等眾多領(lǐng)域進行了測試璃弄。其核心是一個具有512×512像素的SPAD圖像傳感器要销。實現(xiàn)了每秒高達10萬幀的光子計數(shù)和零讀出噪聲。全局快門可實現(xiàn)納秒曝光夏块，曝光位移為17 ps疏咐。圖像傳感器針對低噪聲進行了優(yōu)化纤掸，典型的暗計數(shù)率小于25 cps。您使用時只需要連接兩條USB3.0線纜與電源線浑塞，即可拍攝您需要的圖片借跪。其頂端提供的兩個SMA觸發(fā)接口，能夠好的滿足您的拍攝需求酌壕。此外掏愁，您還可以進行二次開發(fā)，通過代碼來控制相機卵牍。
圖7 SPAD512S單光子相機
圖8 量子成像相關(guān)應用
圖9 FLIM相關(guān)應用
不僅如此托猩，SPAD512S相機可支持1,4,6,7,8以及高于8位深度，以供您的需求進行選擇辽慕。在不同位數(shù)深度的情況下京腥，幀數(shù)也將有不同變化，zui高可達每秒100000幀溅蛉，可為您的高速拍攝等應用提供堅實的條件公浪。
圖10 在不同位數(shù)情況下，對高速轉(zhuǎn)動的風扇進行拍攝
SPAD512S單光子相機自帶的軟件中船侧，具有四個可用模式欠气，分別為強度成像模式、門控成像模式與FLIM成像模式镜撩。
在強度成像模式中预柒，我們可以很方便地選擇我們所需要拍攝圖像的位數(shù)、曝光時間與幀數(shù)袁梗，并可在拍攝完成后查看每幀照片宜鸯，或?qū)⑵浔４嬖谀碾娔X上，方便您的后續(xù)處理遮怜。如果您想在特定的時間點進行拍攝淋袖，您還可以通過外接信號來控制其拍攝時間。
圖11 強度成像模式
門控成像模式中锯梁，我們可以通過連接外部激光觸發(fā)信號（10MHz-80MHz）即碗，自由調(diào)整位數(shù)（暫不支持1或4位）、幀數(shù)陌凳、門寬剥懒、門偏移等參數(shù)，以匹配您的拍攝需求合敦。在拍攝完成后初橘，您還可以自由查看各個像素點所記錄的隨時間變化的光子數(shù)情況。
圖12 門控成像模式參數(shù)
FLIM成像模式中，我們可以在左側(cè)進行積分時間壁却、幀數(shù)與預估壽命等參數(shù)的修改批狱。對于每次測量，都會生成強度圖像展东、壽命圖像赔硫、像素響應曲線和相量圖。每一項都顯示在控制面板右側(cè)屏幕的一個象限中盐肃。通過在強度或壽命圖像中單擊多個像素爪膊，可以將多個像素添加到像素曲線圖。將鼠標懸停在任何圖像像素上也會突出顯示相量圖中相應的相量砸王。計算出的平均壽命和標準偏差打印在右下角推盛。壽命圖像下方的顏色條表示圖像中可見的zui小和zui大壽命。
圖13 FLIM成像模式
該軟件還在不斷深入開發(fā)谦铃，將在很長的一段時間內(nèi)繼續(xù)更新耘成，開放新的功能，敬請期待驹闰。如果希望通過命令行進行控制瘪菌，我們還提供了遠程命令接口，根據(jù)一些已有編程示例嘹朗，您可以自行進行編寫师妙。
綜上，我們介紹了近年來SPAD相關(guān)技術(shù)情況屹培，并對一些原理進行了簡要分析默穴，SPAD512S相機作為目前成熟的商業(yè)SPAD相機，其拍攝幀數(shù)zui高可達100000幀褪秀，并自帶了持續(xù)更新的軟件蓄诽，便于您的使用。且體積小巧溜歪，便于攜帶與使用若专，若您有相關(guān)技術(shù)問題需要討論，歡迎與我們討論蝴猪。
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相關(guān)文獻：
[1] Buchholz J. Evaluation of single photon avalanche diode arrays for imaging fluorescence correlation spectroscopy: FPGA-based data readout and fast correlation analysis on CPUs, GPUs and FPGAs[D]. , 2016.
[2] Ulku A C, Bruschini C, Antolovi? I M, et al. A 512× 512 SPAD image sensor with integrated gating for widefield FLIM[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 25(1): 1-12.
[3] Tanuwijaya R S, Liang H, Xi J, et al. Metasurface for programmable quantum algorithms with quantum and classical light[J]. arXiv preprint arXiv:2307.07985, 2023.
[4] Liang H, Ahmed H, Tam W Y, et al. Continuous heralding control of vortex beams using quantum metasurface[J]. Communications Physics, 2023, 6(1): 140.
[5] Ankri R, Harel M, Arbiv U. Time-gated fluorescence lifetime Imaging in the Near infrared Regime; A Comprehensive Study Toward In Vivo Imaging[J]. bioRxiv, 2023: 2023.05. 21.541614.
Chacko N, Motiei M, Suryakant J S, et al. Au nanodyes as enhanced contrast agents in wide field near infrared fluorescence lifetime imaging[J]. Discover Nano, 2024, 19(1): 1-14.
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