孫鳴捷，王知冠，2

（1 北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191）

（2 北京航空航天大學(xué) 未來(lái)空天技術(shù)學(xué)院/高等理工學(xué)院，北京100191）

0 引言

根據(jù)量子理論，光子是光能量的最小載體，因此光電探測(cè)器靈敏度的理論極限就是能探測(cè)單個(gè)光子。目前常用的單光子探測(cè)器包括光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）［1］、單光子雪崩二極管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD）［2］以及超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector，SNSPD）［3］等。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，單光子探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物光子學(xué)［4］、量子信息光學(xué)［5-6］、激光雷達(dá)［7］以及超快成像［8］等領(lǐng)域。

隨著超高速、時(shí)間相關(guān)光學(xué)成像技術(shù)的出現(xiàn)，越來(lái)越需要能夠以皮秒精度、高信噪比和高動(dòng)態(tài)范圍采集單光子信息的多像素成像設(shè)備。PMT 與SNSPD 等探測(cè)器往往需要借助掃描設(shè)備才有可能獲得一定空間分辨率的圖像，系統(tǒng)的體積和成像時(shí)間限制了這類單光子探測(cè)器在成像領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。相比之下，SPAD 可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝進(jìn)行制造，這使得人們能夠以合理的成本制造小體積的SPAD 陣列。SPAD 是一種工作在極高反向偏壓下的光電二極管，當(dāng)單個(gè)光子入射并產(chǎn)生載流子時(shí)，光生載流子會(huì)在反向偏壓的作用下不斷加速并碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，從而在極短時(shí)間（一般在ps 量級(jí)）內(nèi)產(chǎn)生雪崩電流信號(hào)，因此SPAD 在具備單光子探測(cè)能力的同時(shí)還能通過(guò)電信號(hào)的變化精確地測(cè)量光子的到達(dá)時(shí)間［9］。集成多個(gè)像素的SPAD 陣列具備并行的單光子信息采集能力，在探測(cè)效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)掃描架構(gòu)。此外還可以將光子計(jì)數(shù)電路以及時(shí)間測(cè)量電路集成至SPAD 陣列中，對(duì)SPAD 陣列的功能性與可擴(kuò)展性有明顯提升。其他設(shè)備例如條紋相機(jī)［10］、增強(qiáng)電子耦合器件（Intensified Charge-coupled Device，ICCD）［11］以及SNSPD 陣列［12］等也能夠?qū)崿F(xiàn)并行的時(shí)間相關(guān)單光子測(cè)量，但由于成本與體積等因素的限制，這些設(shè)備在成像領(lǐng)域中還未廣泛普及。

SPAD 陣列能夠以皮秒級(jí)別的時(shí)間分辨率并行地探測(cè)單光子的入射，同時(shí)具備低成本、高集成度等優(yōu)勢(shì)，能夠有效推動(dòng)單光子成像技術(shù)發(fā)展。在微弱光環(huán)境下的成像中，例如生物顯微成像或是超遠(yuǎn)激光雷達(dá)，會(huì)面臨光信號(hào)十分微弱、成像速度慢等情況，使用SPAD 陣列能夠在保證信噪比的同時(shí)顯著提高光子探測(cè)效率，進(jìn)而提升成像速度。在時(shí)間相關(guān)單光子成像中，SPAD 陣列中的每個(gè)像素都可以獨(dú)立地采集光子時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間域、空間域光子信息的高效并行采集，使人們有可能解析光子的復(fù)雜傳播過(guò)程或?qū)σ晥?chǎng)中的超高速目標(biāo)進(jìn)行追蹤，實(shí)現(xiàn)一些極端條件下的成像，例如散射成像、非視域成像以及光脈沖飛行成像等。近年來(lái)SPAD 陣列在像素規(guī)模、時(shí)間分辨率以及暗計(jì)數(shù)等參數(shù)上都在不斷取得突破，基于SPAD 陣列的成像技術(shù)也有許多新進(jìn)展。本文梳理了SPAD 陣列的發(fā)展歷程與技術(shù)趨勢(shì)，綜述了基于SPAD 陣列的成像應(yīng)用，對(duì)SPAD 陣列的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 SPAD 陣列的發(fā)展歷程與技術(shù)趨勢(shì)

SPAD 陣列的發(fā)展歷程可大致總結(jié)為由單個(gè)雪崩光電二極管，到具備一定功能的像素，再到集成度較高的像素陣列。SPAD 在探測(cè)到單個(gè)光子后，其自發(fā)性的雪崩過(guò)程需要被及時(shí)終止以避免持續(xù)高電流對(duì)器件的損壞，隨后SPAD 上的反向偏壓會(huì)逐漸回升并使SPAD 再次回到待命狀態(tài)。上述淬火與充能［13］過(guò)程的持續(xù)時(shí)間即為SPAD 的死時(shí)間（Dead Time），這期間SPAD 無(wú)法探測(cè)光子。結(jié)合淬火電路的SPAD 即可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的SPAD 像素，此類像素的輸出僅為與光子入射所對(duì)應(yīng)的一系列電脈沖，更復(fù)雜的SPAD 像素還可能具備光子計(jì)數(shù)功能或時(shí)間相關(guān)光子探測(cè)功能。目前，單個(gè)SPAD 像素的光子探測(cè)概率（Photon Detection Probability，PDP）可達(dá)70%［14］。

光子時(shí)間測(cè)量電路也是SPAD 像素中的重要組成部分，決定了SPAD 的光子時(shí)間探測(cè)性能。值得一提的是，即使不借助時(shí)間測(cè)量電路，一些工作在光子計(jì)數(shù)模式下的高速SPAD 也能夠以μs 級(jí)別的精度區(qū)分微弱光強(qiáng)的變化［15-16］，但無(wú)法精確測(cè)量光子飛行時(shí)間。應(yīng)用在SPAD 像素中的精確光子時(shí)間測(cè)量方案主要包括時(shí)間相關(guān)光子計(jì)數(shù)（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）［17］技術(shù)以及時(shí)間門控（Time Gating，TG）技術(shù)［18］。TCSPC 能夠以ps 級(jí)別的精度測(cè)量光子的到達(dá)時(shí)間，但需要較復(fù)雜的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換（Time-to-Digital Converter，TDC）電路。具備TCSPC 功能的SPAD 像素一般只有很低的填充因子（感光區(qū)域的面積在整個(gè)像素中所占的比例）。時(shí)間門控技術(shù)利用時(shí)間門控電路使得SPAD 僅在某個(gè)特定的時(shí)間窗口內(nèi)（一般為ns 量級(jí)）被激活，該時(shí)間窗口能夠以ps 的間隔移動(dòng)并覆蓋整個(gè)探測(cè)周期。相比于TCSPC 技術(shù)，時(shí)間選通門控方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本更低，非常適用于大像素規(guī)模的SPAD 陣列。

當(dāng)像素內(nèi)的電路被確定之后，可以將多個(gè)SPAD 像素集成為陣列，以獲得并行的光子探測(cè)能力。面陣SPAD 需要在像素內(nèi)附加電路來(lái)實(shí)現(xiàn)光子信息的獲取、存儲(chǔ)和傳輸，額外的電路會(huì)占據(jù)像素內(nèi)空間從而降低填充因子。較低的填充因子會(huì)導(dǎo)致面陣SPAD 的光子探測(cè)效率（Photon Detection Efficiency，PDE）下降，但面陣SPAD 無(wú)需掃描即可獲得二維圖像。SPAD 最早主要通過(guò)定制工藝進(jìn)行制造，可以針對(duì)性地優(yōu)化光敏單元結(jié)構(gòu)或摻雜濃度從而改善SPAD 的PDP 以及噪聲表現(xiàn)［19］，但這類SPAD 的可擴(kuò)展性通常較差。2003年，利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝制造的8×4 像素SPAD 陣列被首次報(bào)道［20］。盡管基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝制造的SPAD在綜合性能表現(xiàn)上還不夠理想，但標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝可以將光敏單元與附加電路進(jìn)行大規(guī)模集成，使SPAD陣列能夠集成更多的像素并有更豐富的光子探測(cè)功能。

近年來(lái)隨著工藝的進(jìn)步以及設(shè)計(jì)的優(yōu)化，SPAD 陣列的綜合性能表現(xiàn)有了顯著提升。目前最新的SPAD陣列，PDE 最高可達(dá)70%，暗計(jì)數(shù)率（Dark Count Rate，DCR）可降至0.1 cps/μm2以下，同時(shí)像素規(guī)模可達(dá)百萬(wàn)量級(jí)。SPAD 像素中的附加電路也在不斷發(fā)展，可以在SPAD 陣列上集成更為復(fù)雜的電路系統(tǒng)。目前先進(jìn)的SPAD 陣列可同時(shí)具備光子計(jì)數(shù)功能以及光子時(shí)間測(cè)量功能，潛在的應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富。在大量應(yīng)用于科學(xué)研究的同時(shí)，SPAD 陣列的產(chǎn)品化進(jìn)程也在不斷推進(jìn)，半導(dǎo)體廠商索尼已經(jīng)推出了面向自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的高分辨率、低成本、小體積的商用SPAD 陣列［31］。表1 中總結(jié)了近年來(lái)具有代表性的SPAD 陣列的主要性能指標(biāo)。

表1 近年來(lái)SPAD 陣列的主要性能指標(biāo)概覽Table 1 Overview of SPAD arrays over the past few years

隨著SPAD 陣列在性能上的不斷發(fā)展與成熟，在一些應(yīng)用場(chǎng)景中SPAD 陣列已經(jīng)開(kāi)始逐漸取代ICCD與條紋相機(jī)等昂貴的陣列式單光子探測(cè)器，但SPAD 陣列在探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)、均勻性以及時(shí)間分辨能力等指標(biāo)上還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。SPAD 像素的PDP 與DCR 主要與光敏單元有關(guān)，受制造工藝、PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)以及反偏電壓等因素的影響。提升PDP 的主要思路是提高光生載流子引發(fā)雪崩的概率，具體途徑為提升耗盡層中電場(chǎng)的強(qiáng)度。高場(chǎng)強(qiáng)要求較高的反偏電壓以及比較薄的耗盡層，但高電壓會(huì)帶來(lái)高功耗，且較薄的耗盡層會(huì)導(dǎo)致光敏區(qū)域變小，影響整體的探測(cè)效率。另外基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝的SPAD 會(huì)有相對(duì)較多的晶格缺陷，從而導(dǎo)致光生載流子被束縛，無(wú)法引發(fā)雪崩。暗計(jì)數(shù)的主要來(lái)源是SPAD 耗盡層內(nèi)由于熱效應(yīng)或隧道效應(yīng)而產(chǎn)生的自由載流子，影響暗計(jì)數(shù)的主要因素包括PN 結(jié)中晶格的缺陷、雜質(zhì)以及摻雜濃度等。使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝制造的SPAD 陣列，其缺陷以及雜質(zhì)含量相對(duì)較多，比定制工藝SPAD 會(huì)有更高的暗計(jì)數(shù)。優(yōu)化SPAD 暗計(jì)數(shù)的方法包括優(yōu)化PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)，添加吸附雜質(zhì)的工藝步驟以提高PN 結(jié)質(zhì)量等，另外降低反向偏壓與光敏區(qū)面積都有利于抑制暗計(jì)數(shù)，但這也會(huì)導(dǎo)致PDE 的下降。針對(duì)光敏單元中各項(xiàng)性能參數(shù)之間的相互制約，可以使用更先進(jìn)的復(fù)合工藝開(kāi)發(fā)性能均衡的SPAD 光敏單元，例如BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工藝［32-33］。SPAD 的死時(shí)間以及時(shí)間測(cè)量精度主要取決于像素中的附加電路。通過(guò)對(duì)淬火電路的優(yōu)化可以將SPAD 的死時(shí)間降低至ns 以下［34］且不引入額外的噪聲，還可以通過(guò)淬火電路控制反偏電壓以降低功耗或補(bǔ)償SPAD 陣列中各像素的不均勻性［35］。SPAD 像素中的TDC 決定了光子時(shí)間測(cè)量能力，但高性能的TDC 一般都有更高的功耗和更大的電路面積?？紤]到弱光環(huán)境下SPAD 陣列中單個(gè)像素的光子探測(cè)率比較低，因此可以在多個(gè)SPAD 像素間共享TDC［36］，可以在保證性能的同時(shí)顯著降低電路面積與功耗。高性能的附加電路能夠顯著優(yōu)化SPAD 陣列的探測(cè)頻率以及時(shí)間分辨率，但往往這類電路會(huì)有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更多的晶體管，對(duì)光敏區(qū)域的面積會(huì)有一定的限制。

由以上分析可知，在SPAD 陣列的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，尤其是對(duì)于大規(guī)模的SPAD 陣列，性能、體積、功耗以及成本等因素會(huì)相互制約。設(shè)計(jì)者可以針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)SPAD 陣列的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)權(quán)衡，例如一種為時(shí)間相關(guān)單光子成像而設(shè)計(jì)的SPAD 陣列［37］重點(diǎn)優(yōu)化了PDE 以及時(shí)間分辨能力。該SPAD 陣列的峰值PDE 達(dá)到70%，同時(shí)集成了時(shí)間分辨率為6 ps 的TDC，使得該陣列在弱光環(huán)境下也能夠采集到精確的時(shí)間相關(guān)光子數(shù)據(jù)。但該陣列的噪聲表現(xiàn)相對(duì)較差，暗計(jì)數(shù)達(dá)到1kcps。另外，微透鏡技術(shù)以及3D 電路堆疊技術(shù)可以有效解決SPAD 陣列中填充因子與附加電路之間的矛盾。安裝在SPAD 像素上的微透鏡能夠?qū)⑷肷涔庾泳劢怪料袼貎?nèi)的光敏區(qū)域［38-39］，在不影響像素結(jié)構(gòu)的情況下可以使等效填充因子得到成倍提升。3D 電路堆疊技術(shù)［30，40］可以將SPAD 光敏單元與附加電路在兩塊基板上分別制造并將二者集成，從而克服填充因子與附加電路之間的矛盾。3D 電路堆疊技術(shù)還能夠?qū)⒒诙ㄖ乒に嚨母咝阅躍PAD 與易集成的CMOS 附加電路相結(jié)合，若能解決3D 電路堆疊技術(shù)的成本以及設(shè)計(jì)復(fù)雜度等問(wèn)題，該技術(shù)將會(huì)是未來(lái)高性能SPAD 陣列的有效解決方案。在電路設(shè)計(jì)層面，數(shù)值仿真手段的進(jìn)步也使人們可以在SPAD 設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真的方法預(yù)測(cè)并優(yōu)化PDP 等性能參數(shù)［41］，在具備較高可靠性的同時(shí)還降低了設(shè)計(jì)階段的成本。隨著SPAD 像素規(guī)模的不斷增大，大量光子數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理與傳輸也將會(huì)是一個(gè)難題，利用高性能FPGA 進(jìn)行光子數(shù)據(jù)的本地預(yù)處理［42］可以有效降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，減輕后續(xù)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸壓力。

隨著工藝、材料以及電路設(shè)計(jì)的進(jìn)步，未來(lái)性能均衡、成本低廉的SPAD 陣列將有望得到普及。目前基于CMOS 的SPAD 像素在性能接近或超越定制工藝SPAD 的同時(shí)還具備大規(guī)模集成的潛力。2022年報(bào)道了一種基于標(biāo)準(zhǔn)180 nm 工藝的SPAD 像素［43］，峰值PDP 達(dá)到55%，時(shí)間抖動(dòng)最低為12.1 ps，死時(shí)間低至3 ns 且最低暗計(jì)數(shù)為0.06 cps/μm2。目前該SPAD 像素還并未形成足夠規(guī)模的SPAD 陣列，如何在性能不退化的前提下將這類高性能SPAD 像素進(jìn)行集成是未來(lái)仍需要解決的問(wèn)題。

2 基于SPAD 陣列高速單光子探測(cè)能力的成像技術(shù)

在一些不需要精確光子時(shí)間信息的成像應(yīng)用中，SPAD 陣列能夠以光子計(jì)數(shù)模式工作并以極高的幀率獲取二維單光子圖像，這使得SPAD 陣列在弱光環(huán)境下的成像性能非常出色。在一些典型的弱光成像應(yīng)用中，例如生物醫(yī)學(xué)顯微成像，SPAD 陣列得到了廣泛應(yīng)用并在成像速度、圖像信噪比等方面取得了新的突破。

2.1 超分辨生物顯微成像

傳統(tǒng)生物顯微成像的分辨率一般被限制在衍射極限內(nèi)，如何突破衍射極限獲取高分辨圖像一直是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)超分辨顯微成像的一種方法是通過(guò)對(duì)生物組織中單個(gè)熒光分子進(jìn)行精準(zhǔn)的定位［44］，即單分子定位超分辨顯微成像技術(shù)（Single Molecule Localization super-resolution Microscopy，SMLM）。當(dāng)熒光分子在生物組織中的數(shù)量很少且呈現(xiàn)稀疏分布時(shí)，即使單個(gè)分子產(chǎn)生的衍射光斑具有一定的面積，也可以通過(guò)估計(jì)衍射光斑的中心來(lái)對(duì)確定單個(gè)熒光分子的位置，從而突破衍射極限并探測(cè)生物樣本的精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而，單個(gè)熒光分子閃爍的亮度很低，同時(shí)熒光的持續(xù)時(shí)間也很短，如何準(zhǔn)確記錄單個(gè)分子的閃爍是SMLM 的關(guān)鍵。最早研究人員使用電子倍增電荷耦合器件（Electron-multiplying Charge-Coupled Device，EMCCD）以及科研級(jí)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，sCMOS）相機(jī)等器件進(jìn)行超分辨成像，但系統(tǒng)噪聲［45］和成像速度［46］都還有待優(yōu)化。SPAD陣列能夠以極高的幀率探測(cè)單個(gè)光子，且不受讀出噪聲的影響，為實(shí)現(xiàn)更高速、更高精度的SMLM 提供了可能。2016年ANTOLOVIC ⅠM 等［47］首次使用512×128 像素的SPAD 相機(jī)進(jìn)行了生物熒光超分辨成像的實(shí)驗(yàn)，成像結(jié)果的空間分辨率為100 nm，時(shí)間分辨率由sCMOS 的毫秒量級(jí)提升至微秒量級(jí)，為分析熒光染料的光物理特性提供了有效的途徑。針對(duì)SPAD 陣列填充因子較低的問(wèn)題，GYONGY Ⅰ等［48］提出了一種智能疊加算法，通過(guò)只疊加包含有效信號(hào)的圖像幀提高光子信息利用效率并抑制背景噪聲。該團(tuán)隊(duì)利用320×240 像素的SPAD 陣列準(zhǔn)確地提取出熒光分子發(fā)生閃爍時(shí)的圖像并進(jìn)行累加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明盡管SPAD 陣列的光子探測(cè)效率更低，但通過(guò)智能疊加算法得到的SMLM 成像結(jié)果與商用EMCCD 相機(jī)接近。2017年ANTOLOVIC ⅠM 等［49］使用安裝微透鏡的SPAD 陣列進(jìn)行了SMLM 實(shí)驗(yàn)，SPAD 陣列的填充因子從5%提升至60%，成像結(jié)果的空間分辨率提升至80 nm，見(jiàn)圖1。隨后GYONGY Ⅰ等［39］使用像素間距僅為8 μm 的SPAD 陣列進(jìn)行SMLM 實(shí)驗(yàn)，較小的像素間距使得相同視場(chǎng)內(nèi)的有效像素?cái)?shù)量明顯增加，另外柱形微透鏡使該陣列的填充因子達(dá)到50%，進(jìn)一步提升了光子探測(cè)效率，最終成像結(jié)果的空間分辨率為40 nm。

圖1 sCMOS、SPAD 陣列、EMCCD 的超分辨成像結(jié)果與衍射受限成像結(jié)果的對(duì)比［49］Fig.1 The comparison between the diffraction-limited images and the super-resolution images taken by a sCMOS，a SPAD array and an EMCCD［49］

與EMCCD 以及sCMOS 等探測(cè)器相比，目前SPAD 陣列在像素規(guī)模、像素填充因子以及探測(cè)效率等方面還有待提高。隨著微透鏡技術(shù)的普及與先進(jìn)制程CMOS 工藝的應(yīng)用，SPAD 陣列的空間分辨率及光子探測(cè)效率將不斷提升。未來(lái)SPAD 陣列有望替代現(xiàn)有的EMCCD 與sCMOS，為揭示納米尺度下細(xì)胞的精細(xì)結(jié)構(gòu)提供有力的工具。

2.2 散射關(guān)聯(lián)成像

無(wú)損地監(jiān)控生物組織深層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化是一項(xiàng)非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，同時(shí)在很多應(yīng)用場(chǎng)景中具有實(shí)際意義，例如在臨床醫(yī)學(xué)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦的血流量。散射關(guān)聯(lián)頻譜成像技術(shù)（Diffuse Correlation Spectroscopy，DCS）是一種很有潛力的無(wú)損光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)［50］。DCS 將相干光耦合至目標(biāo)物體中，通過(guò)測(cè)量出射散斑的時(shí)間相關(guān)性來(lái)監(jiān)測(cè)深層組織的動(dòng)態(tài)變化情況。當(dāng)光源與探測(cè)器的間隔增大時(shí)，探測(cè)器接收到的光子在組織中的傳播深度越深，但到達(dá)探測(cè)器的散射光子數(shù)量會(huì)因?yàn)樯⑸浜臀盏纫蛩囟鴾p少，信噪比也會(huì)相應(yīng)降低。DCS 的主要測(cè)量對(duì)象是生物組織，光源的強(qiáng)度會(huì)被限制在安全范圍以內(nèi)，因此提高信噪比的關(guān)鍵在于使用高性能的探測(cè)器。SPAD 陣列的高靈敏度和高幀率能夠有效地探測(cè)來(lái)自深層組織的散射光子，同時(shí)能夠以較高的時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè)散斑的動(dòng)態(tài)變化情況。另外SPAD 陣列的多個(gè)像素能夠并行地測(cè)量多個(gè)散斑，進(jìn)一步提升信噪比。2007年，JAILLON F等［51］使用23 個(gè)雪崩二極管同時(shí)測(cè)量散斑，并測(cè)量出在8 Hz 閃爍光照下人類大腦皮層的活動(dòng)情況。2019年JOHANNES J D 團(tuán)隊(duì)［52］使用5×5 的SPAD陣列初步驗(yàn)證了多散斑并行采集時(shí)信噪比的提升。隨后集成度更高的32×32 像素的SPAD 陣列也被應(yīng)用于DCS，在相同的條件下比基于單點(diǎn)探測(cè)器的DCS 有大約32 倍的信噪比提升［53］。2020年LIU W 等［54］進(jìn)行了基于SPAD 陣列的大腦皮層血流量監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明基于SPAD 陣列的DCS 對(duì)腦血流監(jiān)測(cè)結(jié)果與商用心電圖監(jiān)控儀基本一致，展現(xiàn)出了DCS 在實(shí)際臨床診斷中的應(yīng)用潛力，見(jiàn)圖2。

圖2 基于SPAD 陣列的DCS 系統(tǒng)示意圖［54］Fig.2 The schematic diagram of the DCS system based on a SPAD array［54］

隨著SPAD 陣列集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超大像素規(guī)模的SPAD 陣列也已經(jīng)出現(xiàn)，這些新的設(shè)備在DCS 中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步提高信噪比與成像速度。另外，近紅外生理窗口（650～950 nm）波段的光在生物組織中的穿透性較強(qiáng)［55］，通過(guò)針對(duì)性的設(shè)計(jì)［56］或基底材料的優(yōu)化［57］可以提高SPAD 在該波段的光子探測(cè)概率，進(jìn)而有效提升DCS 的探測(cè)深度。SPAD 陣列還可能結(jié)合FPGA 直接進(jìn)行快速的散斑自相關(guān)運(yùn)算［58］，可以顯著地提升系統(tǒng)集成度與成像速度，將有望實(shí)現(xiàn)DCS 無(wú)損探測(cè)設(shè)備的產(chǎn)品化和小型化，推動(dòng)DCS 技術(shù)在實(shí)際臨床診斷中的普及。

2.3 高動(dòng)態(tài)范圍成像

傳統(tǒng)的圖像傳感器例如電荷耦合器件（Charge-Coupled Devices，CCD）或CMOS 等基本都是線性響應(yīng)的，即光電荷數(shù)量與入射光強(qiáng)成正比。線性響應(yīng)傳感器在強(qiáng)光下很容易達(dá)到飽和［59］，當(dāng)單幀圖像曝光時(shí)間內(nèi)的累積的光電荷達(dá)到飽和時(shí)，后續(xù)所有入射的光子都將被忽略。SPAD 陣列工作在蓋革模式下，在單個(gè)光子探測(cè)事件之后需要一定的時(shí)間（死時(shí)間）才能重新回到光子探測(cè)狀態(tài)。SPAD 在整個(gè)曝光過(guò)程中都能探測(cè)光子，但最高光子計(jì)數(shù)頻率與死時(shí)間相關(guān)。2019年INGLE A 等［60］利用SPAD 陣列的非線性光強(qiáng)響應(yīng)特性，建立了在高光強(qiáng)情況下光子入射的時(shí)間間隔與入射光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。連續(xù)兩個(gè)光子入射的時(shí)間間隔越短代表光強(qiáng)越強(qiáng)，因此SPAD 納秒級(jí)別的死時(shí)間提供了較高的光強(qiáng)探測(cè)上限，而在暗光區(qū)域SPAD 陣列原本就具備高信噪比，這些特性使得SPAD 陣列能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍成像。該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中將SPAD 陣列與普通相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍特性進(jìn)行了對(duì)比，SPAD 陣列的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到106∶1，比普通相機(jī)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，見(jiàn)圖3。除了將光強(qiáng)與光子入射間隔相對(duì)應(yīng)之外，2019年ZARGHAMI M 等［61］建立了光強(qiáng)與光子到達(dá)時(shí)間概率分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而利用SPAD 陣列強(qiáng)大的時(shí)間分辨能力實(shí)現(xiàn)了138.7 dB 的高動(dòng)態(tài)范圍成像。SPAD 陣列的空間分辨率較低，但可以進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍成像，而CMOS 相機(jī)具有很高的空間分辨率但動(dòng)態(tài)范圍有限。2022年LIU Y 等［62］提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的圖像融合方法，該方法通過(guò)結(jié)合SPAD 陣列的成像結(jié)果與CMOS 相機(jī)的成像結(jié)果以獲得高分辨率的高動(dòng)態(tài)范圍圖像，利用了SPAD 陣列與CMOS 相機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)，是一種非常有前景的成像模式。

圖3 傳統(tǒng)相機(jī)與SPAD 陣列在高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景下的成像結(jié)果［60］Fig.3 The images of a high dynamic range scene taken by a conventional camera and a SPAD array［60］

雖然目前SPAD 陣列的空間分辨率較低，需要結(jié)合掃描裝置或額外的圖像信息才能獲得高質(zhì)量的高動(dòng)態(tài)范圍圖像，但目前傳統(tǒng)成像設(shè)備的性能還難以滿足自動(dòng)駕駛、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域中對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景成像的需求，未來(lái)隨著高分辨率SPAD 陣列成本的不斷降低，SPAD 陣列有望推動(dòng)高動(dòng)態(tài)范圍成像在各領(lǐng)域中的普及。由于高動(dòng)態(tài)范圍成像主要對(duì)SPAD 的光子計(jì)數(shù)頻率有比較高的要求，因此可以對(duì)SPAD 像素中的淬火電路以及后續(xù)信號(hào)讀出電路進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，提高SPAD 陣列的最高光子計(jì)數(shù)頻率，同時(shí)可以舍棄TDC 等時(shí)間測(cè)量電路以提高填充因子并降低大規(guī)模制造的成本。SPAD 陣列一般常用于弱光場(chǎng)景中，基于SPAD 陣列的高動(dòng)態(tài)范圍成像研究為SPAD 陣列開(kāi)辟了一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

3 基于光子飛行時(shí)間的成像技術(shù)

SPAD 陣列與時(shí)間測(cè)量電路的集成，例如TDC 與時(shí)間門控電路，使得SPAD 陣列在具備單光子探測(cè)能力的同時(shí)還能夠精確測(cè)量光子的飛行時(shí)間（Time of Flight，ToF），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速物體的追蹤或者是拓展成像的維度。在這類需要測(cè)量光子飛行時(shí)間的應(yīng)用中，一般需要在SPAD 陣列和高重頻脈沖光源之間建立時(shí)序同步以確定光子飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。

3.1 熒光壽命顯微成像

熒光顯微成像［63］被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，熒光光強(qiáng)、偏振度以及熒光壽命等參數(shù)都可以用于圖像的生成。熒光壽命不容易受到光漂白、激發(fā)光強(qiáng)以及熒光分子濃度等因素的影響，因此熒光壽命顯微成像（Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy，F(xiàn)LIM）［64-66］可以比較精確地區(qū)分不同來(lái)源的熒光信號(hào)。熒光壽命對(duì)外界環(huán)境變化以及分子間相互作用比較敏感，經(jīng)常被用于對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)信息和細(xì)胞微環(huán)境等進(jìn)行精確測(cè)量與定量分析［67-68］。帶有時(shí)間選通門控電路或TCSPC 的SPAD 可實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光壽命的高精度測(cè)量，然而基于單點(diǎn)SPAD 的FLIM 成像［69］需要對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行掃描，成像速度有限。寬視場(chǎng)FLIM［70］則是直接使用陣列式探測(cè)器采集視場(chǎng)中的熒光信息，成像速度得到顯著提升。近年來(lái)具備時(shí)間測(cè)量能力的SPAD陣列促進(jìn)了寬視場(chǎng)FLIM 的迅速發(fā)展與應(yīng)用。2014年FIELD M 等［25］使用SPAD 陣列實(shí)現(xiàn)了100 fps 的高速FLIM 成像。該陣列的空間分辨率為64×64 像素，每個(gè)像素內(nèi)均有獨(dú)立的TCSPC 電路且時(shí)間分辨率為62.5 ps，使用FPGA 進(jìn)行光子時(shí)間數(shù)據(jù)由SPAD 陣列向計(jì)算機(jī)的高速傳輸，理論最高成像速度可達(dá)400 fps。2015年P(guān)OLAND S P 等［71］使用32×32 的SPAD 陣列結(jié)合多點(diǎn)聚焦實(shí)現(xiàn)了64 倍的成像速度提升，并進(jìn)行了對(duì)蛋白質(zhì)分子相互作用過(guò)程的FLIM 成像，見(jiàn)圖4。2020年ZICKUS V 等［72］使用500×1 024 的SPAD 陣列進(jìn)行了寬視場(chǎng)FLIM 成像實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熒光壽命估計(jì)，速度比傳統(tǒng)擬合方法提高了1 000 倍。在空間分辨率為50 萬(wàn)像素的情況下，該系統(tǒng)的成像速度達(dá)到1 Hz。該成果的空間分辨率接近單點(diǎn)掃描FLIM 的水平，而成像速度有了顯著提升，證明了寬場(chǎng)FLIM 成像的應(yīng)用潛力。

圖4 基于SPAD 陣列的寬視場(chǎng)熒光壽命成像與熒光強(qiáng)度成像的對(duì)比［71］Fig.4 The comparison of the widefield FLIM captured by a SPAD array and the fluorescence intensity microscopy［71］

雖然大部分基于SPAD 陣列的寬視場(chǎng)FLIM 成像在空間分辨率、信噪比等方面還無(wú)法超越單點(diǎn)掃描FLIM 成像，但寬視場(chǎng)FLIM 具有很高的成像幀率，對(duì)生物樣本的光損傷也相對(duì)較低，能對(duì)活細(xì)胞或是生物組織進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在細(xì)胞分子動(dòng)力學(xué)研究中有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)適用于寬視場(chǎng)FLIM 成像的SPAD陣列需要在保持較高的成像分辨率與幀率的情況下限制功耗并提升探測(cè)效率。理論上在SPAD 陣列中的每個(gè)像素內(nèi)都集成TDC 能夠提供最高的光子時(shí)間測(cè)量容量，可以改善信噪比與成像幀率，但是這會(huì)影響填充因子并導(dǎo)致較高的功耗。使用多像素共享TDC 的方案可以緩解性能與功耗之間的相互制約，但是需要根據(jù)成像場(chǎng)景的光通量設(shè)置合適的共享TDC 數(shù)量，以保證信噪比和幀率不受影響。另外，高分辨與高幀率的FLIM 成像還需要解決大量光子時(shí)間信息的傳輸問(wèn)題，可以結(jié)合高性能FPGA 進(jìn)行熒光壽命的預(yù)估計(jì)或光子數(shù)據(jù)的壓縮，降低所需的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，進(jìn)一步推動(dòng)寬視場(chǎng)高速FLIM 技術(shù)的實(shí)用化。

3.2 單光子激光雷達(dá)

單光子激光雷達(dá)使用激光主動(dòng)探測(cè)目標(biāo)物體，通過(guò)測(cè)量返回光子的飛行時(shí)間獲取深度信息，能夠以較高精度重建遠(yuǎn)距離目標(biāo)物體的三維形狀，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、機(jī)器視覺(jué)以及遙感測(cè)繪等領(lǐng)域?；陉嚵惺絊PAD 的單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的單點(diǎn)掃描方式，在采集速度上有明顯的優(yōu)勢(shì)，適用于自動(dòng)駕駛等需要實(shí)時(shí)三維場(chǎng)景信息的領(lǐng)域。2014年NICLASS C 等［73］使 用64×6 的SPAD陣列結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)的掃描反射鏡實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為340×96 像素、成像速度為10 fps 的高速三維成像，在128 m 距離上的深度測(cè)量誤差為3.8 cm。2017年P(guān)ERENZONI M 等［74］使用64×64 的SPAD 陣列對(duì)5.8 km 外的目標(biāo)物體以7 fps 的速度進(jìn)行三維成像，成像精度為0.5 m。2019年ZHANG C 等［75］使 用252×144 的SPAD陣列實(shí)現(xiàn)了30 fps 的高速三維實(shí)時(shí)成像，最大探測(cè)距離為50 m，精度為0.14 cm，見(jiàn)圖5。2019年HUTCHINGS S W 等［76］報(bào)道了一種基于3D 堆疊技術(shù)制造、填充因子達(dá)到51%的SPAD 陣列，并使用此SPAD 陣列實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為64×64 像素、成像速度為30 fps 的三維成像。為了改善目前SPAD 陣列空間分辨率仍然較低的缺點(diǎn)，還可以將SPAD 陣列與掃描系統(tǒng)結(jié)合以獲得更高的空間分辨率，但代價(jià)是降低了成像速度。2019年CAO Jing 等［77］使用16×1 的線陣SPAD 結(jié)合掃描系統(tǒng)在0.5 m 距離下獲得了空間分辨率為320×160 的深度圖像，深度測(cè)量精度為厘米量級(jí)。2021年XUE R 等［78］使用32×32的SPAD 陣列，結(jié)合像素內(nèi)微掃描技術(shù)獲得了32×520像素的大范圍三維圖像，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為7 s，同時(shí)該團(tuán)隊(duì)使用像素復(fù)用方法有效緩解了熱像素的噪聲影響。

圖5 SPAD 陣列采集的連續(xù)6幀深度圖像，速度為30幀/秒，其中一只手正在緊握和松開(kāi)［75］Fig.5 Six successive frames from a 3-D movie at 30 frames/s captured by a SPAD array，in which a hand is clenching and unclenching［75］

在硬件方面，SPAD 陣列的時(shí)間分辨能力是激光雷達(dá)應(yīng)用所需要的關(guān)鍵指標(biāo)?？梢詫?duì)SPAD 陣列中光敏區(qū)域的厚度以及淬火電路進(jìn)行優(yōu)化，降低探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)，同時(shí)應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景確定合適的時(shí)間分辨率與量程并搭配相應(yīng)的TDC 電路。微透鏡技術(shù)以及3D 電路堆疊技術(shù)可以顯著提升SPAD 陣列填充因子，從而提升激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)效率與成像速度。另外相比于單點(diǎn)掃描結(jié)構(gòu)，基于SPAD 陣列的激光雷達(dá)的光源能量更為分散，因此搭配更高脈沖能量、更高重頻的激光器也是提高探測(cè)距離與成像速度的關(guān)鍵因素之一。在算法層面，現(xiàn)有的單光子激光雷達(dá)往往需要多次探測(cè)以準(zhǔn)確估計(jì)反射光信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，首光子成像算法［79-80］的應(yīng)用能夠有效降低現(xiàn)有單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)入射光子數(shù)量的要求。

3.3 光脈沖飛行成像

SPAD 陣列能夠在全視場(chǎng)范圍內(nèi)并行采集光子數(shù)量以及飛行時(shí)間信息，對(duì)于在視場(chǎng)內(nèi)以光速運(yùn)動(dòng)的激光脈沖，可以利用SPAD 陣列的數(shù)據(jù)重建激光脈沖的飛行過(guò)程，即光脈沖飛行成像（Light-in-Flight imaging，LiF）［81］。相較于基于全息干涉［82］、條紋相機(jī)［83］或是光子混合器件（Photonic Mixer Device，PMD）［84］的LiF 成像，基于SPAD 陣列的LiF 成像系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低與精度高等優(yōu)點(diǎn)。2015年GARIEPY G 等［85］首次使用32×32 的SPAD 陣列記錄并重建激光脈沖在空氣中的三維飛行軌跡（x，y，t）以及激光誘導(dǎo)熒光的過(guò)程。對(duì)以光速運(yùn)動(dòng)的物體的成像與常規(guī)成像場(chǎng)景不同，如果忽略光信號(hào)由目標(biāo)傳播到探測(cè)器的時(shí)間，則有可能因相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致最終成像結(jié)果失真［86-88］。2016年LAURENZIS M 等［89］利用激光脈沖在空氣中沿直線傳播的特點(diǎn)，通過(guò)關(guān)聯(lián)32×32 的InGaAs SPAD 陣列中多個(gè)像素的相對(duì)位置以及飛行時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算出了激光脈沖的傳播角度，并觀察到激光脈沖在不同傳播角度下會(huì)表現(xiàn)出不同的飛行速度。2020年ZHENG Y 等［90］意識(shí)到可以進(jìn)一步利用激光脈沖的傳播角度計(jì)算出光信號(hào)的傳播時(shí)間從而補(bǔ)償相對(duì)論效應(yīng)，并首次使用32×32 的SPAD 陣列得到了四維（x，y，z，t）LiF 成像結(jié)果，見(jiàn)圖6。2021年KAZUHIRO M 等［91］使用1 024×1 000 像素的SPAD 陣列實(shí)現(xiàn)了更精確的四維LiF 成像。IMOGEN M 等［92］在已知激光脈沖四維飛行軌跡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了SPAD 陣列采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)與激光脈沖真實(shí)強(qiáng)度之間的關(guān)系，從而利用32×32 的SPAD 陣列實(shí)現(xiàn)了能夠校準(zhǔn)光強(qiáng)的四維LiF 成像。

圖6 基于SPAD 陣列的四維LiF 成像結(jié)果［90］Fig.6 Four dimensional LIF imaging with a SPAD array［90］

在LiF 成像中，各像素采集的光子信息并不是相互獨(dú)立的，可以通過(guò)關(guān)聯(lián)多個(gè)像素的相對(duì)位置以及飛行時(shí)間等信息拓展LiF 成像的維度。適用于LiF 成像的SPAD 陣列應(yīng)當(dāng)具有較高的時(shí)間分辨能力與填充因子。較高的填充因子可以降低SPAD 視場(chǎng)中的盲區(qū)，使得激光脈沖在飛行過(guò)程中的強(qiáng)度與形狀被完整地記錄，而SPAD 陣列的時(shí)間分辨能力可以使人們精確地記錄并分析激光脈沖隨時(shí)間的變化情況。未來(lái)隨著SPAD 陣列的進(jìn)一步發(fā)展，可以利用SPAD 陣列對(duì)一些更復(fù)雜的超快過(guò)程進(jìn)行成像，例如觀測(cè)超快激光脈沖與物質(zhì)的相互作用過(guò)程［93］。

3.4 基于光子飛行時(shí)間的非視域成像

傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)往往依賴于光的直線傳播原理以及物點(diǎn)與像點(diǎn)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，成像的目標(biāo)僅限于視場(chǎng)之內(nèi)。然而在自動(dòng)駕駛、地震救援與軍事偵察等領(lǐng)域，僅有視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)物體的信息并不能完全滿足需求，如何將成像的范圍拓展至直接視域外是近年來(lái)成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；诠庾语w行時(shí)間的非視域（None-line-of-sight，NLOS）成像因其測(cè)量范圍大、重建精度高等優(yōu)點(diǎn)成為了NLOS 成像的一種主要實(shí)現(xiàn)方案。在基于光子飛行時(shí)間的NLOS 成像中，脈沖光于中繼面上散射后與直接視域之外的目標(biāo)物體發(fā)生二次散射，最終攜帶物體信息的部分光子再回到中繼面上并被探測(cè)器所接收。

條紋相機(jī)、ICCD 以及PMD 等設(shè)備［94］最先被應(yīng)用于NLOS 成像中，隨后單點(diǎn)SPAD 加掃描振鏡［95-98］的結(jié)構(gòu)因其高精度、低成本與靈活性高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于NLOS 成像中。然而基于單點(diǎn)掃描的NLOS 成像系統(tǒng)始終難以突破成像速度的瓶頸，因此人們開(kāi)始將SPAD 陣列用于NLOS 成像系統(tǒng)中以提高成像速度。2015年MARTIN L 等［99］使用32×32 的InGaAs SPAD 陣列進(jìn)行了NLOS成像實(shí)驗(yàn)。受制于SPAD 陣 列250 ps 的時(shí)間分辨率，該系統(tǒng)只能大致對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，但采樣時(shí)間僅為340 ms，相比之下使用單點(diǎn)SPAD掃描的采樣時(shí)間則需要5～30 min。該實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了SPAD 陣列具備提升NLOS 成像速度的潛力。2016年GENEVIEV G 等［100］使用時(shí)間分辨率為45.5 ps 的SPAD 陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)非視域目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)定位，定位精度達(dá)到厘米量級(jí)，見(jiàn)圖7。WU Jingyao 等［101］通過(guò)理論仿真驗(yàn)證了基于SPAD 陣列的NLOS 成像的可行性與高效性。在NLOS 重建算法方面，反投影算法［102］適用于SPAD 陣列，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)且重建精度較低。光錐變換算法［103］、頻率波矢遷移［104］以及虛擬波［105］等算法在時(shí)間復(fù)雜度以及重建精度上都有較好的表現(xiàn)，但這些算法的有效性只在共焦探測(cè)下得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)法直接用于SPAD 陣列采集的非共焦數(shù)據(jù)。理論上可以對(duì)非共焦數(shù)據(jù)進(jìn)行變換以得到近似的共焦數(shù)據(jù)［106］，從而使用上述高效的算法進(jìn)行重建。

圖7 基于SPAD 陣列的非視域目標(biāo)追蹤系統(tǒng)［100］Fig.7 NLOS target tracking system based on a SPAD array［100］

目前SPAD 陣列在時(shí)間分辨率以及暗計(jì)數(shù)等性能指標(biāo)上與單點(diǎn)SPAD 還存在一定差距，基于SPAD 陣列的NLOS 重建算法還不成熟，但SPAD 陣列在成像速度以及系統(tǒng)集成程度方面優(yōu)于單點(diǎn)SPAD 加掃描振鏡的結(jié)構(gòu)。在一些應(yīng)用場(chǎng)景中，例如自動(dòng)駕駛，對(duì)NLOS 成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與便攜性會(huì)有非常高的要求。另外，三維NLOS 成像的縱向分辨率主要取決于SPAD 的時(shí)間分辨能力，使用時(shí)間分辨能力更強(qiáng)的SPAD陣列可以重建出更豐富的三維物體細(xì)節(jié)，因此適用于NLOS 成像的SPAD 陣列在時(shí)間分辨率上還需要進(jìn)一步提升。隨著SPAD 陣列性能的提高以及非共焦重建算法的優(yōu)化，未來(lái)基于SPAD 陣列的NLOS 成像系統(tǒng)將有望取代現(xiàn)有的掃描成像構(gòu)型，進(jìn)一步推動(dòng)NLOS 成像的普及化與實(shí)用化。

3.5 時(shí)域散射成像

如何對(duì)散射介質(zhì)之后的物體進(jìn)行成像，一直是光學(xué)成像領(lǐng)域中的難題，其中最大的障礙就是攜帶物體信息的光子在經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生隨機(jī)散射而導(dǎo)致信息丟失。在散射介質(zhì)之后的物體自身發(fā)出或反射的光子中，有少部分光子在經(jīng)過(guò)散射介質(zhì)時(shí)未發(fā)生散射或散射次數(shù)較少，這類光子保持原有傳播方向不變且攜帶目標(biāo)物體的信息，此類光子被稱為彈道光子（Ballistic Photons）及蛇形光子（Snake Photons）［107］。由于被散射的次數(shù)較少，彈道光子與蛇形光子總是比多次散射的光子更早到達(dá)探測(cè)器，因此可以在時(shí)域上篩選出這類光子。隨著散射介質(zhì)厚度的增加，這些直接攜帶物體信息的光子所占的比例會(huì)不斷降低，增加了探測(cè)難度。SPAD 陣列能夠精確地測(cè)量單個(gè)光子的到達(dá)時(shí)間，因此可以使用SPAD 陣列探測(cè)并篩選出彈道光子以及蛇形光子。2017年TANNER M 等［108］使用32×32 的SPAD 陣列，通過(guò)時(shí)域彈道光子以及蛇形光子篩選的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物體腔內(nèi)光纖的末端定位，精度達(dá)到厘米量級(jí)，初步驗(yàn)證了SPAD 陣列在真實(shí)臨床條件下透過(guò)生物組織進(jìn)行成像的能力。為了提高光子數(shù)據(jù)的利用率，還可以建立光子在散射介質(zhì)中的傳播模型，從而利用所有光子的數(shù)量信息以及時(shí)間信息反解出目標(biāo)物體的形狀。2016年GUY S 等［109］使用條紋相機(jī)與卷積模型實(shí)現(xiàn)了高精度的散射成像，空間分辨能力相比于其他篩選部分光子進(jìn)行成像的方法提高了兩倍，該方法同樣適用于SPAD 陣列。2017年GUY S 等［110］使用32×32 的SPAD 陣列以無(wú)損探測(cè)的方式測(cè)量了散射光子的時(shí)空信息，并通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）實(shí)現(xiàn)了對(duì)散射介質(zhì)后物體的分類，見(jiàn)圖8。2019年ASHLEY L 等［111］建立了光子密度波在強(qiáng)散射介質(zhì)中的傳播函數(shù)，并通過(guò)不斷迭代的方式使利用模型預(yù)測(cè)的光子時(shí)空分布與SPAD 陣列的實(shí)測(cè)結(jié)果逐漸接近，從而重建出厚散射介質(zhì)內(nèi)部物體的大致形狀。由于光在薄散射介質(zhì)中傳播的過(guò)程與光被漫反射面散射的過(guò)程類似，因此一些非視域成像中的探測(cè)架構(gòu)與算法也可以用于散射成像。2020年LINDELL D 等［112］使用單點(diǎn)SPAD 搭建了共焦探測(cè)系統(tǒng)，并借鑒非視域成像中的光錐變換算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄散射介質(zhì)后方物體的成像。類似地，利用SPAD陣列以及反投影算法等適用于非共焦探測(cè)系統(tǒng)的重建算法，理論上也能夠?qū)崿F(xiàn)散射成像，而且基于SPAD陣列的成像系統(tǒng)在成像速度上更有優(yōu)勢(shì)。

圖8 結(jié)合SPAD 陣列與深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)散射介質(zhì)后物體的分類［110］Fig.8 Object classification through scattering media with deep learning and a SPAD array［110］

散射成像的難點(diǎn)在于散射介質(zhì)把原本包含物體信息的光場(chǎng)變得完全混亂，單純從空域上的光強(qiáng)分布難以辨認(rèn)物體細(xì)節(jié)。SPAD 陣列能夠在空間域以及時(shí)間域上提供豐富的光子信息，從建模角度可以結(jié)合時(shí)域與空域信息建立更完善的散射傳播模型，而利用深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等手段則能夠通過(guò)額外的時(shí)間維度信息更精確地建立目標(biāo)物體細(xì)節(jié)與光子數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)更好的成像效果?；赟PAD 陣列的時(shí)域散射成像將會(huì)是解決散射成像問(wèn)題的有力手段之一。

4 總結(jié)與展望

SPAD 的發(fā)展與其他光電探測(cè)器類似，都經(jīng)歷了由單點(diǎn)探測(cè)器到多像素陣列的過(guò)程。得益于CMOS 技術(shù)的應(yīng)用，SPAD 陣列在像素規(guī)模以及電路集成度上發(fā)展十分迅速，短短十幾年間就從幾十像素、僅有光子計(jì)數(shù)功能的簡(jiǎn)單陣列發(fā)展到百萬(wàn)像素且具備時(shí)間測(cè)量功能的超大規(guī)模SPAD 陣列。在像素規(guī)模逐漸增大的同時(shí)，光子探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)、光譜響應(yīng)范圍以及時(shí)間分辨率等關(guān)鍵參數(shù)也隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷優(yōu)化。光學(xué)成像具有悠久的歷史，隨著科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，人們的研究興趣也從傳統(tǒng)成像逐漸拓展至極端條件下的成像，例如超分辨成像、極弱光成像以及超視距成像等等。SPAD 具備單光子靈敏度和ps 級(jí)別的時(shí)間分辨能力，在極端條件下依然能夠獲取光子信息。在早期SPAD 陣列性能還不夠完善時(shí)，為了獲得二維圖像人們往往將單點(diǎn)SPAD 探測(cè)器與掃描裝置結(jié)合。隨著SPAD 陣列的逐漸成熟，在車載激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)成像等對(duì)成像實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用中，SPAD 陣列以其高效的并行單光子探測(cè)能力開(kāi)始逐漸取代單點(diǎn)掃描系統(tǒng)。另外，利用SPAD 陣列的高動(dòng)態(tài)范圍性能可以便捷地獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像，有潛力解決目標(biāo)識(shí)別以及自動(dòng)駕駛中成像場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍變化過(guò)大的問(wèn)題。在散射成像以及非視域成像中，SPAD 陣列的出現(xiàn)，使得原本被多路徑、散射等因素造成的復(fù)雜光子傳播過(guò)程在時(shí)域與空域上得以被區(qū)分，因此可以結(jié)合物理建?；蛏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)一步獲取關(guān)于視域外或是散射介質(zhì)之后目標(biāo)物體的信息，突破了傳統(tǒng)成像中“光沿直線傳播”的物理限制。利用SPAD 陣列的高時(shí)間分辨率以及并行采集能力還可以追蹤在視場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)的激光脈沖，有助于推進(jìn)對(duì)一些超快光學(xué)現(xiàn)象的研究。

近年來(lái)SPAD 陣列在像素規(guī)模、時(shí)間分辨能力、暗計(jì)數(shù)以及探測(cè)效率等方面的進(jìn)步促進(jìn)了各種成像應(yīng)用的發(fā)展，但隨著SPAD 陣列像素規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)SPAD 陣列的性能要求與有限像素面積、有限功耗之間的矛盾也日益顯現(xiàn)。各種成像應(yīng)用對(duì)高性能SPAD 陣列的需求促使人們不斷突破有限像素面積與功耗造成的瓶頸，例如最新的集成電路工藝可以用于制造性能均衡的SPAD 光敏單元，3D 電路堆疊技術(shù)以及微透鏡技術(shù)可以在保證附加電路性能的同時(shí)提升探測(cè)效率，這些技術(shù)為未來(lái)高性能SPAD 陣列的普及提供了可能。另外，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)SPAD 陣列的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，舍棄不必要的功能以提升填充因子并降低功耗。在光譜響應(yīng)方面，目前硅基SPAD 陣列的光譜響應(yīng)峰值主要集中在可見(jiàn)光波段，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化提高硅基SPAD 陣列在近紅外波段的光子探測(cè)概率，從而利用近紅外光較強(qiáng)的穿透能力提升激光雷達(dá)與散射成像等技術(shù)的探測(cè)范圍。基于InGaAs 或InP 等基底材料的SPAD 陣列能夠響應(yīng)1 450 nm 以上的短波紅外光，因此這類SPAD 陣列在光纖成像以及量子光學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。SPAD 陣列能夠高效獲取光子時(shí)空域信息，如何最大限度地利用這些光子數(shù)據(jù)也是今后SPAD 陣列應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題。除了建立光子傳播的物理模型之外，還可以利用深度學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能算法，從更高維度建立光子時(shí)空分布信息與目標(biāo)特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而深入挖掘SPAD 陣列數(shù)據(jù)中隱含的信息，提高成像的范圍、精度以及效率。今后SPAD 陣列將會(huì)在光學(xué)成像中發(fā)揮更重要的作用，為人們感知世界、認(rèn)識(shí)世界提供更有力的工具。