第1章 光电子噪声基础 1
1.1引言 1
1.2束缚体系中电磁辐射、电子电荷和能级的量子表征 2
1.3泊松分布的基本特性 3
1.4辐射与物质的相互作用 4
1.5光源的噪声特性 5
1.5.1相干光（单模激光器） 5
1.5.2热（白炽的）光源 5
1.5.3部分相干光（气体放电灯） 6
1.5.4发光二极管 6
1.6“单光子成像”的意义 7
1.7固态物质的能带模型 9
1.8电磁辐射的半导体探测 10
1.8.1量子效率和能带结构 10
1.8.2热平衡和非平衡时的载流子浓度 11
1.8.3暗电流 11
1.8.4雪崩效应和过噪声系数 12
1.9电荷的电子探测 13
1.9.1电子及其噪声的基本特性 14
1.9.2电子电荷探测的基本电路 17
1.9.3单电子电荷探测结论 18
1.10总结：光电探测的物理极限 19
1.10.1波长敏感范围 19
1.10.2暗电流和量子效率 20
1.10.3电子电荷探测 20
参考文献 20
第2章 图像传感器技术 22
2.1固态图像传感器的发展计划和简要历史 22
2.2图像传感器结构 23
2.3工作原理 28
2.4图像传感器件 30
2.5图像传感工艺技术 33
2.6单光子工艺技术展望 39
参考文献 40
第3章 混合雪崩光电二极管阵列成像 41
3.1引言 41
3.2混合雪崩光电二极管工作原理 42
3.3单像素大尺寸混合雪崩光电二极管 43
3.3.1器件介绍 43
3.3.2性能 45
3.3.3应用 47
3.4多像素混合雪崩光电二极管阵列 48
3.4.1器件介绍 48
3.4.2性能测试 51
3.4.3应用 52
3.5结论及存在的问题 53
参考文献 53
第4章 电子轰击半导体图像传感器 55
4.1引言 55
4.2电子轰击半导体的增益过程 57
4.3混合光电倍增电子轰击半导体图像传感器 58
4.3.1混合光电倍增器增益与噪声分析 58
4.3.2混合光电倍增器的时间响应特性 59
4.3.3混合光电倍增成像仪 59
4.4电子轰击CCD和电子轰击CMOS的电子轰击半导体图像传感器 61
参考文献 62
第5章 采用真空电子倍增的单光子成像 65
5.1引言 65
5.2光电阴极 67
5.2.1光电阴极的工作原理 67
5.2.2多碱光电阴极 69
5.2.3 Ⅲ～V光阴极 71
5.3图像增强器 72
5.3.1工作原理 72
5.3.2应用 73
5.3.3图像增强器的组成 74
5.3.4性能特点 79
5.3.5专用图像增强器 85
5.4光电倍增管 86
5.4.1工作原理 86
5.4.2应用 87
5.4.3光电倍增管的构成 88
5.4.4性能特点 90
5.5结论与展望 92
参考文献 92
第6章 电子倍增电荷耦合器件 93
6.1引言 93
6.2超灵敏电荷耦合器件成像采用碰撞离化 93
6.3电子倍增电荷耦合器件的概念 94
6.3.1输出放大器噪声 94
6.3.2倍增增益的应用 96
6.3.3噪声和信噪比 98
6.3.4输出信号分布 100
6.4基于电子倍增电荷耦合器件的光子计数技术 101
6.5背景信号的产生 102
6.5.1暗信号 102
6.5.2暗信号形成的统计分布 104
6.5.3寄生电荷形成 105
6.6信号产生效率的提高 106
6.7结论 107
参考文献 107
第7章 单片单光子雪崩二极管：单光子雪崩光电二极管 110
7.1简要历史回顾 110
7.2基本原理 110
7.2.1单光子雪崩光电二极管的结构和工作原理 111
7.2.2静止等待状态和雪崩建立 112
7.2.3熄灭、扩散和再充电 115
7.2.4波形样例 117
7.2.5脉冲整形 119
7.2.6非相关噪声：暗计数 120
7.2.7相关噪声：后脉冲噪声和其他的时间不确定性 122
7.2.8灵敏度：光子探测概率 123
7.2.9波长鉴别器 126
7.3片上单光子雪崩光电二极管的制作 127
7.3.1垂直与平面单光子雪崩光电二极管 127
7.3.2平面工艺制作方法 127
7.3.3单光子雪崩光电二极管的不利参数性能 130
7.3.4单光子雪崩光电二极管阵列的不利参数性能 131
7.4单光子雪崩光电二极管阵列探测器结构 133
7.4.1基本结构 133
7.4.2芯片集成结构 134
7.4.3列单元结构 135
7.4.4像素结构 136
7.5单芯片阵列设计的发展趋势 137
7.6结论 138
参考文献 139
第8章 通过噪声最小化实现单光子CMOS成像 142
8.1引言 142
8.2理论 143
8.2.1量子效率和调制传递函数 144
8.2.2光电载流子探测概率 148
8.2.3加性时域噪声系统 151
8.2.4非相关时域噪声源 151
8.2.5相关时域噪声源 155
8.3放大和带宽控制 155
8.3.1放大 155
8.3.2带宽控制 158
8.4结构 160
8.4.1具有钉扎光电二极管列级放大和相关双采样的4T像素 160
8.4.2具有钉扎光电二极管列级放大和相关双采样的4T电容式跨导放大器像素 163
8.4.3结构比较 166
8.5低噪CMOS图像传感器的优化设计 167
8.5.1电子学 167
8.5.2光学 170
8.6结论 171
参考文献 172
第9章 低噪声CMOS电子成像体系结构 174
9.1引言 174
9.2信号读取架构 174
9.3相关采样及噪声响应 178
9.3.1相关双采样和相关多采样 178
9.3.2相关双采样与相关多采样对热噪声和1/f噪声的响应 180
9.4采用列相关多采样电路的有源像素CMOS图像传感器的噪声 183
9.5单光子探测概率 187
9.5.1使用量化器的单光子探测 187
9.5.2单光子探测条件 190
参考文献 192
第10章 带双栅极场效应管和电荷调制器件的低噪声电子成像 193
10.1引言 193
10.2双栅极FET电荷探测器 194
10.2.1悬浮势阱类型 194
10.2.2悬浮表面类型 199
10.3带有双栅极FET电荷探测器的CCD图像传感器 205
10.3.1传感器结构 205
10.3.2反馈电荷探测器 206
10.3.3测量评估 208
10.3.4信号处理 209
10.4电荷调制图像像素的应用 213
10.4.1像素结构 213
10.4.2运行过程 214
10.4.3模拟 215
10.4.4结果 216
10.4.5区域传感器的应用 217
10.5结论 218
参考文献 218
第11章 能量敏感单光子X射线与粒子成像 219
11.1引言 219
11.1.1应用 220
11.1.2基本拓扑结构 220
11.2粒子传感器件 221
11.2.1直接转换传感器件 221
11.2.2可见光波段用于耦合到传感器件的闪烁体 222
11.3异步电荷脉冲探测电路 223
11.3.1电荷敏感放大器 224
11.3.2具有整形功能的电荷敏感放大器 229
11.3.3带整形的电压缓冲器 235
11.4电压脉冲处理电路 237
11.4.1能量鉴别方法 237
11.4.2信息读取 238
参考文献 239
第12章 飞行时间测距成像单光子探测器 240
12.1引言 240
12.2飞行时间测量技术与系统 242
12.2.1飞行时间系统 242
12.2.2直接和间接时间测量技术 243
12.2.3光功率计算 245
12.2.4直接飞行时间和间接飞行时间的噪声问题 248
12.3用于三维飞行时间成像的单光子传感器 250
12.3.1单光子探测器 250
12.3.2单光子飞行时间成像的像素结构 251
12.3.3非直接飞行时间像素的电路结构 252
12.3.4直接飞行时间像素的电路实现结构 255
12.3.5先进的时间分辨CMOS单光子雪崩二极管像素阵列技术 257
12.4挑战与前景 259
12.5结论 260
参考文献 261
第13章 单光子成像在天文学及航空航天领域的应用 265
13.1引言 265
13.2天文和空间科学应用的科学探测器 266
13.2.1科学级CCD 267
13.3通过大气层的成像技术 272
13.4 Lucky成像技术 274
13.5自适应光学 276
13.5.1原理 276
13.5.2波前传感器的需求和探测器的实现 278
13.5.3用于波前传感器的红外探测器 281
13.6空间激光雷达应用 284
13.7结论 286
附录 287
参考文献 287
第14章 分子生物学的时间分辨荧光成像方法 291
14.1引言：时间分辨荧光是分子生物学分析中特别灵敏的探测方法 291
14.1.1用长寿命荧光体标记特定分子 292
14.1.2研究样本在平面阵列中集成设计：同质性和异质性试验 292
14.1.3用强光脉冲激发阵列中的多个标本以及阵列标本在图像传感器上成像，然后对荧光信号进行时间门控读取 293
14.1.4微阵列化验 294
14.2用于超敏荧光检测的理想荧光体的特性 295
14.3钌化物 297
14.4生命科学应用 298
14.4.1药物研发分析 298
14.4.2即时检验 301
14.5用于时间分辨率荧光成像的超低噪声CMOS图像传感器应用前景 302
参考文献 304