本文通過對近年來SPAD單光子相機領域儀(yi) 器進行了介紹，並重點介紹了由PI imaging国产黄色在线观看推出的SPAD 512*512相機的相關(guan) 国产成人在线观看免费网站。
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，在生物物理學和生物化學與(yu) 醫學国产成人在线观看免费网站十分廣泛。與(yu) 傳(chuan) 統的熒光強度成像相比，熒光壽命成像的主要優(you) 點包括對熒光團濃度、光致漂白和深度不敏感。此外，熒光壽命對各種環境參數，如氧含量或pH的敏感性，使其成為(wei) 功能成像的有效工具。且當背景熒光壽命與(yu) 目標顯著不同時，FLIM允許通過門控來抑製背景熒光。
時域寬視場FLIM常用的圖像傳(chuan) 感器技術包括時間門控圖像增強器與(yu) scmos或ccd相機相結合，或微通道板（MCP）和基於(yu) 光電陰極的寬視場探測器結合。由於(yu) 增強器的增益較大，時間門控圖像增強器的動態範圍較低，且成本昂貴。由於(yu) 涉及的超高電壓，MCP在zui大可實現的全局計數率上是很有限的，且實際使用同樣昂貴和複雜。標準cmos技術中單光子雪崩二極管（SPADs）的發展，以及大型CMOS SPAD陣列的引入，創造了具有並行讀出和快速數據處理的多通道單光子計數的潛力。因為(wei) CMOS技術支持模塊化、可擴展構建，具有大型計數器和快速電子處理能力，其完全集成了的門控選項，因此SPADs可以達到高定時性能，並且沒有全局計數限製。直到zui近，兆像素時間分辨SPAD相機的主要問題是采用專(zhuan) 用時間戳和光子計數電路的智能SPAD像素的小型化。下麵我們(men) 將介紹SPAD技術的相關(guan) 原理。
單光子雪崩二極管（SPAD）是熒光相關(guan) 光譜（FCS）等單光子計數国产成人在线观看免费网站的主要工具。這些探測器可以被視為(wei) 等效於(yu) 光電倍增管，光電倍增管將入射光子轉換為(wei) 可以計數的電脈衝(chong) 。
它們(men) 計數單個(ge) 光子的能力減少了增益噪聲或電路噪聲的影響。SPAD是在擊穿電壓Vbreak以上工作的光電探測器，即所謂的GEIGER模式（蓋格模式）。這是通過施加遠高於(yu) 擊穿電壓Vbreak的反向偏置運行電壓VOP來實現的。單個(ge) 入射光子會(hui) 產(chan) 生雪崩，可以很容易地檢測和計數。當工作在擊穿電壓以下時，雪崩效應導致隨機增益，該增益與(yu) 光電流成比例。
圖1(a)顯示了通過用作SPAD的p+-π-p-n+的APD結構的典型河段的橫截麵。它由四個(ge) 不同摻雜的區域、兩(liang) 個(ge) 低摻雜區域π和p以及兩(liang) 個(ge) 高摻雜區域p+和n+構建。光子吸收發生在相對較大的π區。光子撞擊該區域以一定的概率在二極管的低摻雜吸收區域π內(nei) 產(chan) 生電子-空穴對。注入吸收區的單個(ge) 電荷載流子隨後在偏置場中被放大為(wei) 電子雪崩，即所謂的雪崩擊穿，如圖1(b)所示。這些雪崩可以被檢測為(wei) 強電流尖峰。
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結構的截麵，包括反向電壓下的空間電荷分布。右邊的圖顯示了電場的強度。p+和n+區域是重摻雜的。（b） 反向電壓下SPAD中的電荷載流子倍增
漂移過程由VOP驅動，並受到載流子與(yu) 半導體(ti) 晶格碰撞的限製。當電子到達倍增區時，一個(ge) 具有高電場|−→E（−）|的薄p−n+結，通過重複的衝(chong) 擊電離產(chan) 生一個(ge) 具有數百萬(wan) 二次電子的雪崩。在apd中，放大隨著反向偏置VOP的增加而增加。如果VOP高於(yu) 擊穿電壓Vbreak，放大幾乎是無限的。在這一點上，光子產(chan) 生自我維持的雪崩，而雪崩光電二極管（APD）以光子計數或蓋革模式工作。在一個(ge) 光子擊中探測器後不久，電流就會(hui) 隨著雪崩的開始而上升，並導致穿過整個(ge) SPAD的電阻下降。通過將SPAD與(yu) 電阻串聯起來，可以通過鑒別電路檢測到VSPAD的擊穿（如圖2a所示）。每次雪崩都必須停止，即所謂的熄滅，以避免損壞二極管由於(yu) 電流，並重新進行部署。通常，可能有兩(liang) 種實現：
主動猝滅：通過添加一個(ge) 專(zhuan) 用電路來檢測雪崩並主動降低VSPAD，雪崩停止。
無源猝滅：一個(ge) 電阻器與(yu) SPAD串聯。如果電流增加通過二極管，電阻器上的較高電壓下降，從(cong) 而降低二極管電壓VSPAD，直到
VSPAD＜Vbreak，雪崩停止。該電路如圖2.2a所示，電壓曲線、電流的發展如圖2.2b所示。
圖2 單光子雪崩二極管的無源猝滅電路 (a) 具有串聯電阻器的SPAD的無源熄滅電路。（b） 電路中電壓和電流的過程。
無論使用主動還是被動停止，SPAD的反向偏置電壓都會(hui) 降低到擊穿電壓以下。這會(hui) 使SPAD失活，因為(wei) 現在二極管兩(liang) 端的電壓太低，無法引起另一次雪崩並檢測到任何光子。這種“停滯時間”（通常在100 ns的數量級）可以通過縮短RQ來減少。這種技術被稱為(wei) 主動充電。
檢測器的反饋導致並非由實際光子檢測引起的額外脈衝(chong) 。當電荷載流子被捕獲在耗盡區中並在SPAD再次運行時的短隨機周期後被釋放時，可能會(hui) 發生所謂的後脈衝(chong) 。這些載流子然後重新觸發雪崩，而雪崩不是由實際的光子引起的。研究表明，後脈衝(chong) 遵循冪律時序分布。
在二十一世紀，SPAD陣列已經被開發出來，以允許在高幀率下進行類似相機的單光子成像。這些傳(chuan) 感器由眾(zhong) 多以像素陣列結構組織的單個(ge) SPAD組成，如同傳(chuan) 統相機。它們(men) 通常基於(yu) CMOS芯片。一些設備還集成了附加的停止或讀出電路，部分基於(yu) 每個(ge) 像素。zui不複雜的器件是具有二極管的線性SPAD陣列，其在外部完全可訪問。對外部電子設備進行停止和讀出。同時，還開發了二維探測器。盡管像素是矩形的，但由於(yu) 高電場強度，SPAD在這些器件中通常是圓形的。隨著單個(ge) SPAD數量的增加，不再可能完全訪問每個(ge) 二極管。像素變得可以行訪問，共享列輸出通常連接到數據處理電子設備，例如現場可編程門陣列（FPGA）。2005年，32×32像素的探測器問世。每個(ge) 32×32像素包含一個(ge) 集成鑒別器和一個(ge) 列輸出驅動器，實現為(wei) 五個(ge) 晶體(ti) 管。隻能同時尋址和讀取一個(ge) 像素（參見圖2.3c中的像素結構）。上述傳(chuan) 感器不適合於(yu) 以高時間分辨率讀出許多像素。要麽(me) 隻有一行SPAD可用，要麽(me) 必須在測量之前選擇像素。在後一種情況下，采用掃描來模擬成像。為(wei) 了允許同時使用大量像素進行成像，必須掃描所有像素。因此，檢測到光子的信息必須保持不變，直到可以讀取像素為(wei) 止。SPAD的有效區域，即實際檢測光子的像素區域，對於(yu) 單光子探測器至關(guan) 重要。為(wei) 了將像素中的電路麵積保持在zui小值，從(cong) 而允許更大的SPAD，主要的實現方式是使用單比特存儲(chu) 器。在現有的SPAD陣列中，這通常需要12個(ge) 或更多的晶體(ti) 管。保存的信息僅(jin) 告訴是否未檢測到或至少檢測到一個(ge) 光子（像素結構參見圖2.3d）。當SPAD檢測到一個(ge) 以上光子時，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據通常是逐行讀取的。當一行被讀取時，存儲(chu) 器的狀態被重置，並且下一行被訪問。這種操作模式被稱為(wei) “滾動快門”模式，在CMOS相機中也很常見。
圖3 具有不同像素設計的SPAD陣列。
a）可按行訪問的SPAD陣列。（b）在每個(ge) 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(ge) 像素中，以供以後讀出。（c）每個(ge) 像素都是可單獨尋址的，沒有其他電路。（d）鎖存器存儲(chu) 每個(ge) 像素中的光子事件。需要額外的複位信號。每個(ge) 像素輸出端的開關(guan) 由行解碼器控製。
SwissSPAD2，即SPAD512s的前身，是一款經典的SPAD成像傳(chuan) 感器，其尺寸為(wei) 512×512像素，是迄今為(wei) 止zui大的尺寸，具有基於(yu) 時間門控的時間分辨成像能力。
圖4 p-i-n SPAD的橫截麵
該傳(chuan) 感器中使用的SPAD基於(yu) p-i-n結。它的設計目的是以相對較低的填充因子為(wei) 代價(jia) ，實現較低的DCR和串擾。如圖4所示，p-i-n SPAD被嵌入到具有總共11個(ge) NMOS晶體(ti) 管的數字像素中。如圖5所示，像素的主要功能是：無源猝滅（T2）、有源充電（T3）、時間門控（T3、T4、T5）、1位DRAM（T9）、存儲(chu) 器複位（T7和T8）和數字讀出（T10）。增加共源共柵晶體(ti) 管（T1）是為(wei) 了將zui大過量偏置從(cong) 3.6 V可靠地增加到5.2 V，這超出了所采用的CMOS技術的標準工作電壓。zui大過量偏壓從(cong) 3.6 V增加到5.2 V，使光子探測概率（PDP）改善約20%，而在25℃時暗計數率（DCR）增加約65%。調節過量偏壓使得在高PDP和低DCR之間的權衡中提供了廣泛的選擇。像素的基本流程如圖6所示。門控信號獨立於(yu) 讀出信號被發送到像素陣列。因此，諸如分辨率和測量範圍之類的時間門控參數不影響讀出速度。門控信號與(yu) 激光時鍾同步。如果像素在時間門內(nei) 檢測到光子，則對1位DRAM進行充電。請注意，在讀出周期中隻能檢測到一個(ge) 光子（引入計數丟(diu) 失或堆積，這可以在後處理過程中進行校正），盡管我們(men) 每次讀出使用多個(ge) 門。與(yu) 電荷累積CCD/CMOS和模擬SPAD成像器不同，多個(ge) 光子計數不能存儲(chu) 在單個(ge) 電容器中。在數字SPAD像素中，這需要計數器或多個(ge) RAM模塊，這將占據很大麵積，因此如果要在像素級實現該功能，則會(hui) 相應降低填充因子。1位數字像素的選擇zui大化了填充因子並消除了讀出噪聲，使暗計數（和後脈衝(chong) ）成為(wei) 係統中唯yi的噪聲源。在這種特殊情況下，1位數字像素的選擇也因壽命成像中通常較低的光子計數率而合理。像素的間距為(wei) 16.38μm，填充因子為(wei) 10.5%。基於(yu) 設計模擬和之前的測量，微透鏡有望將填充因子提高五倍，達到50%以上。
圖5 像素晶體(ti) 管平麵圖
圖6 滾動快門模式下傳(chuan) 感器的時序圖。每個(ge) 門序列的幀數和門序列的數量是用戶可選擇的參數。在該圖中，為(wei) 了簡單起見，兩(liang) 個(ge) 參數都設置為(wei) 2。每個(ge) 門序列的1比特幀的數目越高，則動態範圍越高。門控移位過程引入了65ns的死區時間，每次位移35.7ps，這與(yu) 單個(ge) 幀的讀出相比是微不足道的。
現在，zui新的SPAD512S單光子相機已經問世。其由瑞士Pi imaging国产黄色在线观看推出，是一款用於(yu) 高速成像的光子計數相機，現已在寬場熒光壽命成像，量子成像，高速成像等眾(zhong) 多領域進行了測試。其核心是一個(ge) 具有512×512像素的SPAD圖像傳(chuan) 感器。實現了每秒高達10萬(wan) 幀的光子計數和零讀出噪聲。全局快門可實現納秒曝光，曝光位移為(wei) 17 ps。圖像傳(chuan) 感器針對低噪聲進行了優(you) 化，典型的暗計數率小於(yu) 25 cps。您使用時隻需要連接兩(liang) 條USB3.0線纜與(yu) 電源線，即可拍攝您需要的圖片。其頂端提供的兩(liang) 個(ge) SMA觸發接口，能夠好的滿足您的拍攝需求。此外，您還可以進行二次開發，通過代碼來控製相機。
圖7 SPAD512S單光子相機
圖8 量子成像相關(guan) 国产成人在线观看免费网站
圖9 FLIM相關(guan) 国产成人在线观看免费网站
不僅(jin) 如此，SPAD512S相機可支持1,4,6,7,8以及高於(yu) 8位深度，以供您的需求進行選擇。在不同位數深度的情況下，幀數也將有不同變化，zui高可達每秒100000幀，可為(wei) 您的高速拍攝等国产成人在线观看免费网站提供堅實的條件。
圖10 在不同位數情況下，對高速轉動的風扇進行拍攝
SPAD512S單光子相機自帶的軟件中，具有四個(ge) 可用模式，分別為(wei) 強度成像模式、門控成像模式與(yu) FLIM成像模式。
在強度成像模式中，我們(men) 可以很方便地選擇我們(men) 所需要拍攝圖像的位數、曝光時間與(yu) 幀數，並可在拍攝完成後查看每幀照片，或將其保存在您的電腦上，方便您的後續處理。如果您想在特定的時間點進行拍攝，您還可以通過外接信號來控製其拍攝時間。
圖11 強度成像模式
門控成像模式中，我們(men) 可以通過連接外部激光觸發信號（10MHz-80MHz），自由調整位數（暫不支持1或4位）、幀數、門寬、門偏移等參數，以匹配您的拍攝需求。在拍攝完成後，您還可以自由查看各個(ge) 像素點所記錄的隨時間變化的光子數情況。
圖12 門控成像模式參數
FLIM成像模式中，我們(men) 可以在左側(ce) 進行積分時間、幀數與(yu) 預估壽命等參數的修改。對於(yu) 每次測量，都會(hui) 生成強度圖像、壽命圖像、像素響應曲線和相量圖。每一項都顯示在控製麵板右側(ce) 屏幕的一個(ge) 象限中。通過在強度或壽命圖像中單擊多個(ge) 像素，可以將多個(ge) 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(hui) 突出顯示相量圖中相應的相量。計算出的平均壽命和標準偏差打印在右下角。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，將在很長的一段時間內(nei) 繼續更新，開放新的功能，敬請期待。如果希望通過命令行進行控製，我們(men) 還提供了遠程命令接口，根據一些已有編程示例，您可以自行進行編寫(xie) 。
綜上，我們(men) 介紹了近年來SPAD相關(guan) 技術情況，並對一些原理進行了簡要分析，SPAD512S相機作為(wei) 目前成熟的商業(ye) SPAD相機，其拍攝幀數zui高可達100000幀，並自帶了持續更新的軟件，便於(yu) 您的使用。且體(ti) 積小巧，便於(yu) 攜帶與(yu) 使用，若您有相關(guan) 技術問題需要討論，歡迎與(yu) 我們(men) 討論。
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