本文通过对近年来SPAD单光子相机领域仪器进行了介绍，并重点介绍了由PI imaging公司推出的SPAD 512*512相机的相关应用。
新型SPAD单光子相机简介
荧光寿命显微成像（FLIM）是生命科学的重要工具，在生物物理学和生物化学与医学应用十分广泛。与传统的荧光强度成像相比，荧光寿命成像的主要优点包括对荧光团浓度、光致漂白和深度不敏感。此外，荧光寿命对各种环境参数，如氧含量或pH的敏感性，使其成为功能成像的有效工具。且当背景荧光寿命与目标显著不同时，FLIM允许通过门控来抑制背景荧光。
时域宽视场FLIM常用的图像传感器技术包括时间门控图像增强器与scmos或ccd相机相结合，或微通道板（MCP）和基于光电阴极的宽视场探测器结合。由于增强器的增益较大，时间门控图像增强器的动态范围较低，且成本昂贵。由于涉及的超高电压，MCP在zui大可实现的全局计数率上是很有限的，且实际使用同样昂贵和复杂。标准cmos技术中单光子雪崩二极管（SPADs）的发展，以及大型CMOS SPAD阵列的引入，创造了具有并行读出和快速数据处理的多通道单光子计数的潜力。因为CMOS技术支持模块化、可扩展构建，具有大型计数器和快速电子处理能力，其完全集成了的门控选项，因此SPADs可以达到高定时性能，并且没有全局计数限制。直到zui近，兆像素时间分辨SPAD相机的主要问题是采用专用时间戳和光子计数电路的智能SPAD像素的小型化。下面我们将介绍SPAD技术的相关原理。
单光子雪崩二极管（SPAD）是荧光相关光谱（FCS）等单光子计数应用的主要工具。这些探测器可以被视为等效于光电倍增管，光电倍增管将入射光子转换为可以计数的电脉冲。
它们计数单个光子的能力减少了增益噪声或电路噪声的影响。SPAD是在击穿电压Vbreak以上工作的光电探测器，即所谓的GEIGER模式（盖格模式）。这是通过施加远高于击穿电压Vbreak的反向偏置运行电压VOP来实现的。单个入射光子会产生雪崩，可以很容易地检测和计数。当工作在击穿电压以下时，雪崩效应导致随机增益，该增益与光电流成比例。
图1(a)显示了通过用作SPAD的p+-π-p-n+的APD结构的典型河段的横截面。它由四个不同掺杂的区域、两个低掺杂区域π和p以及两个高掺杂区域p+和n+构建。光子吸收发生在相对较大的π区。光子撞击该区域以一定的概率在二极管的低掺杂吸收区域π内产生电子-空穴对。注入吸收区的单个电荷载流子随后在偏置场中被放大为电子雪崩，即所谓的雪崩击穿，如图1(b)所示。这些雪崩可以被检测为强电流尖峰。
图1 单光子雪崩二极管的示意图 （a）用作SPAD的穿透p+-π-p-n+APD结构的截面，包括反向电压下的空间电荷分布。右边的图显示了电场的强度。p+和n+区域是重掺杂的。（b） 反向电压下SPAD中的电荷载流子倍增
漂移过程由VOP驱动，并受到载流子与半导体晶格碰撞的限制。当电子到达倍增区时，一个具有高电场|−→E（−）|的薄p−n+结，通过重复的冲击电离产生一个具有数百万二次电子的雪崩。在apd中，放大随着反向偏置VOP的增加而增加。如果VOP高于击穿电压Vbreak，放大几乎是无限的。在这一点上，光子产生自我维持的雪崩，而雪崩光电二极管（APD）以光子计数或盖革模式工作。在一个光子击中探测器后不久，电流就会随着雪崩的开始而上升，并导致穿过整个SPAD的电阻下降。通过将SPAD与电阻串联起来，可以通过鉴别电路检测到VSPAD的击穿（如图2a所示）。每次雪崩都必须停止，即所谓的熄灭，以避免损坏二极管由于电流，并重新进行部署。通常，可能有两种实现：
主动猝灭：通过添加一个专用电路来检测雪崩并主动降低VSPAD，雪崩停止。
无源猝灭：一个电阻器与SPAD串联。如果电流增加通过二极管，电阻器上的较高电压下降，从而降低二极管电压VSPAD，直到
VSPAD＜Vbreak，雪崩停止。该电路如图2.2a所示，电压曲线、电流的发展如图2.2b所示。
图2 单光子雪崩二极管的无源猝灭电路 (a) 具有串联电阻器的SPAD的无源熄灭电路。（b） 电路中电压和电流的过程。
无论使用主动还是被动停止，SPAD的反向偏置电压都会降低到击穿电压以下。这会使SPAD失活，因为现在二极管两端的电压太低，无法引起另一次雪崩并检测到任何光子。这种“停滞时间”（通常在100 ns的数量级）可以通过缩短RQ来减少。这种技术被称为主动充电。
检测器的反馈导致并非由实际光子检测引起的额外脉冲。当电荷载流子被捕获在耗尽区中并在SPAD再次运行时的短随机周期后被释放时，可能会发生所谓的后脉冲。这些载流子然后重新触发雪崩，而雪崩不是由实际的光子引起的。研究表明，后脉冲遵循幂律时序分布。
在二十一世纪，SPAD阵列已经被开发出来，以允许在高帧率下进行类似相机的单光子成像。这些传感器由众多以像素阵列结构组织的单个SPAD组成，如同传统相机。它们通常基于CMOS芯片。一些设备还集成了附加的停止或读出电路，部分基于每个像素。zui不复杂的器件是具有二极管的线性SPAD阵列，其在外部完全可访问。对外部电子设备进行停止和读出。同时，还开发了二维探测器。尽管像素是矩形的，但由于高电场强度，SPAD在这些器件中通常是圆形的。随着单个SPAD数量的增加，不再可能完全访问每个二极管。像素变得可以行访问，共享列输出通常连接到数据处理电子设备，例如现场可编程门阵列（FPGA）。2005年，32×32像素的探测器问世。每个32×32像素包含一个集成鉴别器和一个列输出驱动器，实现为五个晶体管。只能同时寻址和读取一个像素（参见图2.3c中的像素结构）。上述传感器不适合于以高时间分辨率读出许多像素。要么只有一行SPAD可用，要么必须在测量之前选择像素。在后一种情况下，采用扫描来模拟成像。为了允许同时使用大量像素进行成像，必须扫描所有像素。因此，检测到光子的信息必须保持不变，直到可以读取像素为止。SPAD的有效区域，即实际检测光子的像素区域，对于单光子探测器至关重要。为了将像素中的电路面积保持在zui小值，从而允许更大的SPAD，主要的实现方式是使用单比特存储器。在现有的SPAD阵列中，这通常需要12个或更多的晶体管。保存的信息仅告诉是否未检测到或至少检测到一个光子（像素结构参见图2.3d）。当SPAD检测到一个以上光子时，可以通过增加读出速度来降低错过光子事件的概率。来自这样的阵列的数据通常是逐行读取的。当一行被读取时，存储器的状态被重置，并且下一行被访问。这种操作模式被称为“滚动快门”模式，在CMOS相机中也很常见。
图3 具有不同像素设计的SPAD阵列。
a）可按行访问的SPAD阵列。（b）在每个像素中嵌入tdc以解析光子事件的定时。通常光子时间标签被保存在每个像素中，以供以后读出。（c）每个像素都是可单独寻址的，没有其他电路。（d）锁存器存储每个像素中的光子事件。需要额外的复位信号。每个像素输出端的开关由行解码器控制。
SwissSPAD2，即SPAD512s的前身，是一款经典的SPAD成像传感器，其尺寸为512×512像素，是迄今为止zui大的尺寸，具有基于时间门控的时间分辨成像能力。
图4 p-i-n SPAD的横截面
该传感器中使用的SPAD基于p-i-n结。它的设计目的是以相对较低的填充因子为代价，实现较低的DCR和串扰。如图4所示，p-i-n SPAD被嵌入到具有总共11个NMOS晶体管的数字像素中。如图5所示，像素的主要功能是：无源猝灭（T2）、有源充电（T3）、时间门控（T3、T4、T5）、1位DRAM（T9）、存储器复位（T7和T8）和数字读出（T10）。增加共源共栅晶体管（T1）是为了将zui大过量偏置从3.6 V可靠地增加到5.2 V，这超出了所采用的CMOS技术的标准工作电压。zui大过量偏压从3.6 V增加到5.2 V，使光子探测概率（PDP）改善约20%，而在25℃时暗计数率（DCR）增加约65%。调节过量偏压使得在高PDP和低DCR之间的权衡中提供了广泛的选择。像素的基本流程如图6所示。门控信号独立于读出信号被发送到像素阵列。因此，诸如分辨率和测量范围之类的时间门控参数不影响读出速度。门控信号与激光时钟同步。如果像素在时间门内检测到光子，则对1位DRAM进行充电。请注意，在读出周期中只能检测到一个光子（引入计数丢失或堆积，这可以在后处理过程中进行校正），尽管我们每次读出使用多个门。与电荷累积CCD/CMOS和模拟SPAD成像器不同，多个光子计数不能存储在单个电容器中。在数字SPAD像素中，这需要计数器或多个RAM模块，这将占据很大面积，因此如果要在像素级实现该功能，则会相应降低填充因子。1位数字像素的选择zui大化了填充因子并消除了读出噪声，使暗计数（和后脉冲）成为系统中唯yi的噪声源。在这种特殊情况下，1位数字像素的选择也因寿命成像中通常较低的光子计数率而合理。像素的间距为16.38μm，填充因子为10.5%。基于设计模拟和之前的测量，微透镜有望将填充因子提高五倍，达到50%以上。
图5 像素晶体管平面图
图6 滚动快门模式下传感器的时序图。每个门序列的帧数和门序列的数量是用户可选择的参数。在该图中，为了简单起见，两个参数都设置为2。每个门序列的1比特帧的数目越高，则动态范围越高。门控移位过程引入了65ns的死区时间，每次位移35.7ps，这与单个帧的读出相比是微不足道的。
现在，zui新的SPAD512S单光子相机已经问世。其由瑞士Pi imaging公司推出，是一款用于高速成像的光子计数相机，现已在宽场荧光寿命成像，量子成像，高速成像等众多领域进行了测试。其核心是一个具有512×512像素的SPAD图像传感器。实现了每秒高达10万帧的光子计数和零读出噪声。全局快门可实现纳秒曝光，曝光位移为17 ps。图像传感器针对低噪声进行了优化，典型的暗计数率小于25 cps。您使用时只需要连接两条USB3.0线缆与电源线，即可拍摄您需要的图片。其顶端提供的两个SMA触发接口，能够好的满足您的拍摄需求。此外，您还可以进行二次开发，通过代码来控制相机。
图7 SPAD512S单光子相机
图8 量子成像相关应用
图9 FLIM相关应用
不仅如此，SPAD512S相机可支持1,4,6,7,8以及高于8位深度，以供您的需求进行选择。在不同位数深度的情况下，帧数也将有不同变化，zui高可达每秒100000帧，可为您的高速拍摄等应用提供坚实的条件。
图10 在不同位数情况下，对高速转动的风扇进行拍摄
SPAD512S单光子相机自带的软件中，具有四个可用模式，分别为强度成像模式、门控成像模式与FLIM成像模式。
在强度成像模式中，我们可以很方便地选择我们所需要拍摄图像的位数、曝光时间与帧数，并可在拍摄完成后查看每帧照片，或将其保存在您的电脑上，方便您的后续处理。如果您想在特定的时间点进行拍摄，您还可以通过外接信号来控制其拍摄时间。
图11 强度成像模式
门控成像模式中，我们可以通过连接外部激光触发信号（10MHz-80MHz），自由调整位数（暂不支持1或4位）、帧数、门宽、门偏移等参数，以匹配您的拍摄需求。在拍摄完成后，您还可以自由查看各个像素点所记录的随时间变化的光子数情况。
图12 门控成像模式参数
FLIM成像模式中，我们可以在左侧进行积分时间、帧数与预估寿命等参数的修改。对于每次测量，都会生成强度图像、寿命图像、像素响应曲线和相量图。每一项都显示在控制面板右侧屏幕的一个象限中。通过在强度或寿命图像中单击多个像素，可以将多个像素添加到像素曲线图。将鼠标悬停在任何图像像素上也会突出显示相量图中相应的相量。计算出的平均寿命和标准偏差打印在右下角。寿命图像下方的颜色条表示图像中可见的zui小和zui大寿命。
图13 FLIM成像模式
该软件还在不断深入开发，将在很长的一段时间内继续更新，开放新的功能，敬请期待。如果希望通过命令行进行控制，我们还提供了远程命令接口，根据一些已有编程示例，您可以自行进行编写。
综上，我们介绍了近年来SPAD相关技术情况，并对一些原理进行了简要分析，SPAD512S相机作为目前成熟的商业SPAD相机，其拍摄帧数zui高可达100000帧，并自带了持续更新的软件，便于您的使用。且体积小巧，便于携带与使用，若您有相关技术问题需要讨论，欢迎与我们讨论。
如果您对SPAD单光子相机有兴趣，请访问上海昊量光电的官方网页：
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