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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CCD267

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