【導讀】高靈敏度探測成像是空間遙感應用中的一個重要技術領域，如全天時對地觀測
、kongjiananruomubiaogenzongshibiedengyingyong，duiyushengaolingmindutuxiangchuanganqidexuqiuriyiqianglie。suizhegutaituxiangchuanganqijishushuipingdebuduantigao，youqibeizhaoshijimaigoudaodenggongyidetupo

，shidegutaituxiangchuanganqidelingminduyoulejidatisheng。

固態高靈敏圖像傳感器，尤其是科學級CMOS圖像傳感器，憑借其體積小、集成度高及功耗低等優勢，在空間高靈敏成像領域的應用中異軍突起。盡管科學級CMOS圖像傳感器可以實現低照度高靈敏成像，但還遠未達到單光子探測的輻射分辨能力。量子CMOS圖像傳感器的出現
，對於拓寬空間遙感高靈敏成像應用領域、提升相應的應用水平具有十分重要的意義。

據麥姆斯谘詢報道，北京空間機電研究所潘衛軍研究員課題組在《航天返回與遙感》期刊上發表了以“基於量子成像的下一代甚高靈敏度圖像傳感器技術”為主題的文章。潘衛軍研究員主要從事圖像傳感器設計與應用的研究工作。

這項研究圍繞具有單光子分辨能力的量子CMOStuxiangchuanganqizheyixinxingshengaolingmindutuxiangchuanganqi，congdanguangzitancedezaoshengtexingyijigutaituxiangchuanganqidegaolingminjishujilichufa，duishixianshengaolingminxingnengdeguanjianjishujinxinglejieshao；在此基礎上，詳細論述了量子CMOS圖像傳感器的技術發展曆史，並將量子CMOS圖像傳感器與其他主流單光子探測傳感器的性能進行了對比，總結分析了未來量子CMOS圖像傳感器技術的發展趨勢，最後針對不同的航天遙感應用需求，分析並展望了量子CMOS圖像傳感器的應用模式及應用特點。

圖像傳感器的探測機理

要達到單光子探測的甚高靈敏度要求
，對等效輸入讀出噪聲的大小有嚴格要求。甚高靈敏度圖像傳感器類似用於觀測輻射強度的“顯微鏡”，其qi本ben身shen的de噪zao聲sheng隻zhi有you達da到dao深shen亞ya電dian子zi水shui平ping才cai能neng實shi現xian單dan個ge光guang子zi的de分fen辨bian能neng力li
，所suo以yi
，甚shen高gao靈ling敏min度du就jiu意yi味wei著zhe甚shen低di噪zao聲sheng。減jian小xiao噪zao聲sheng的de技ji術shu途tu徑jing主zhu要yao包bao括kuo：（1）增大信號增益；（2）減小各級噪聲；（3）shixianzugouxiaodeandianliu，youyuandianliuyinrudesanlizaoshengshiwufatongguozengdaxinhaozengyilaiyizhide，zhinengtongguogongyishangdeyouhualaijiangdiandianliu，congerjianruoandianliusanlizaoshengdeyingxiang。lingwai
，genjuzengdaxinhaozengyidebutongfangfa，xingchenglemuqianliangzhongbutongdeshengaolingmintuxiangchuanganqizhuliujishu，yizhongshiyiEMCCD和SPAD為代表的通過電荷域內的電荷數放大實現信號高增益放大的技術，另一種則是以科學級CMOS和量子CMOS圖像傳感器為代表的通過增大電荷-電壓轉換增益或者跨導積分增益實現高增益放大的技術。

在固態圖像傳感器領域
，CMOS圖像傳感器技術的發展大致經曆了三次技術飛躍：第一次為無源像素到有源像素的發展；第二次為科學級CMOS圖像傳感器的發展
；第三次是量子CMOS圖像傳感器的發展。量子CMOS圖像傳感器的關鍵技術主要有深亞飛法低浮置擴散（FD）電容技術、跨導變積分放大技術以及列級相關多采樣（CMS）技術等。

深亞飛法級小電容技術

目前具有單光子探測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、科學級CMOS以及量子CMOS圖像傳感器
，對這些器件從分辨率、像元尺寸
、量子效率
、響應速度
、暗電流以及讀出噪聲六個維度進行了性能比較。

主流單光子圖像傳感器的性能比較

量子CMOStuxiangchuanganqideweilaifazhanqushijiangxianggengdizaoshengjixutuijin
，genglinghuodezhinenghuachengxiangmoshi。suizhehangtianyaoganyingyongcengcidebuduanshenruyijiyingyonglingyudebuduantuozhan


，shengaolingmintuxiangchuanganqideyingyongxuqiuyejiangyuelaiyueguangfan。ruhegengchongfendifahuiqishengaolingmindetedian，xuyaojiehebutongdeyaoganyingyongzuoshenrufenxi，zhuyaoyingyongyou：全天時對地觀測、空間態勢感知

、定量反演。除了上述應用領域，量子CMOS圖像傳感器因其優異的超低噪聲性能
，還可以應用到星敏傳感器設計、係外行星探測等領域。可以預見，隨著量子CMOS圖像傳感器技術的進一步發展，勢必在更多領域得到更加廣泛的推廣和應用。

量子CMOStuxiangchuanganqijishudezhongdatupo，geigaolingmintuxiangchuanganqizaihangtianyaoganyingyonglingyuzhongdeyingyonggejudailaizhongdabianhua。yinci，yingdangjijitiqianbuju


，yifangmianshenruyanjiuliangziCMOS圖像傳感器的技術特點，另一方麵，結合航天遙感應用的需求特點，在拓展應用領域、提升應用水平方麵

，尋求與量子CMOS圖像傳感器技術優勢的契合，實現我國航天光學遙感器技術水平的跨越式發展。

該項目獲得國家重大科技專項工程的支持。

來源：MEMS

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