随着激光雷达、三维成像和弱光探测技术的发展，传统ICCD在高压供电、器件寿命、系统体积及集成度方面逐渐显现局限。SPAD凭借单光子探测、高时间分辨率、数字化输出和CMOS集成等优势，正成为新一代弱光探测的重要技术路线。本文从工程应用角度，对ICCD与SPAD的工作特点、系统结构和关键性能进行对比，重点分析SPAD在激光主动探测、飞行时间测量、荧光寿命成像及三维成像等场景中的替代价值。研究认为，SPAD并非全面取代ICCD，但在强调高速、低功耗、小型化和实时处理的应用中，已具备明显优势。
从“光放大”到“单光子记录”：SPAD如何改变弱光探测
在激光雷达、远距离目标探测、三维成像、荧光寿命测量以及微弱光信号检测等领域，探测器往往需要面对一个共同挑战：如何在光子数量极少、信号持续时间极短的情况下，准确识别目标信息。
长期以来，像增强型电荷耦合器件（Iccd）凭借较高的增益、纳秒级门控能力和成熟的成像方案，一直是弱光探测领域的重要技术路线。但随着cmos工艺、单光子探测技术和高速时间数字转换技术的发展，单光子雪崩二极管（single-photon Avalanche Diode，SPAD）正在逐渐成为新的选择。对于超大面阵、特殊光谱范围以及部分成熟工业系统，ICCD仍然具有明显价值。但在高速时间分辨、单光子计数、小型化和数字化程度要求较高的应用中，SPAD已经表现出较强的工程替代能力。
一、为什么ICCD能够长期用于弱光探测？
ICCD可以理解为在普通成像传感器前增加了一套光信号放大装置。当微弱光信号进入系统后，光阴极首先将光子转换为电子，随后由微通道板（MCP）对电子进行倍增，再经过荧光屏转换成可被CCD或CMOS传感器读取的图像。
这种结构使ICCD具备以下优势：
·弱光探测能力强。 像增强器能够在CCD读出前对微弱光信号进行放大，提高低照度条件下的信号可探测性；
· 系统增益较高且可调。 通过调节微通道板的工作电压，可以在一定范围内控制电子倍增增益，以适应不同强度的光信号；
· 具备高速时间选通能力。 通过快速控制像增强器光阴极的开启与关闭，ICCD可以形成纳秒级的电子快门，捕获极短时间内的光学信号；
· 能够抑制时间门外的背景光。 当选通时刻与激光脉冲或目标回波同步时，系统只接收预定时间窗口内的光信号，从而减少环境光、散射光和其他非目标信号的影响；
· 具有较成熟的工程应用基础。 ICCD已广泛应用于弱光成像、时间分辨光谱、燃烧诊断、等离子体观测和激光选通成像等领域，相关器件及系统方案较为成熟。
通俗地说，ICCD相当于先把“几乎看不见的光”进行放大，再交给相机完成成像。因此，在SPAD阵列技术尚未成熟的时期，ICCD一直是弱光探测和高速门控成像的重要解决方案。
二、ICCD面临哪些工程局限？
尽管ICCD具有较高的探测灵敏度和成熟的应用基础，但其器件结构特点也带来了一系列工程上的限制，主要体现在以下几个方面。
（一）微通道板存在寿命限制
ICCD的核心部件之一是微通道板。在工作过程中，电子会持续轰击微通道板内部。经过长时间使用后，微通道板可能出现增益下降和性能变化，从而影响探测系统的一致性与稳定性。
对于实验室设备而言，这一问题通常可以通过控制使用时间来缓解。但对于需要长期连续运行的监控系统、激光雷达和在线检测设备，器件寿命和增益稳定性就会成为重要的工程指标。
（二）高压供电增加系统复杂度
ICCD中的像增强器通常需要为光阴极、微通道板及荧光屏相关电极提供较高的工作电压，以实现光电子传输、电子倍增和高速选通。这意味着系统不仅需要额外配置高压电源，还要考虑电气绝缘、电磁兼容、安全性、体积和功耗等问题。
对于机载、车载、无人平台以及便携式设备而言，高压模块往往会增加整机设计难度，并对系统的小型化和轻量化形成限制。
（三）体积和集成度受到限制
一套完整的ICCD通常包括光阴极、微通道板、荧光屏、光学耦合结构、成像芯片以及高压驱动模块。这些部件共同决定了ICCD难以像普通CMOS芯片一样实现高度集成。
在对尺寸、重量和功耗较为敏感的应用中，这种器件结构会限制系统进一步小型化。
（四）数字化和实时处理能力受到限制
ICCD本质上仍然是先对光信号进行模拟放大，再由成像芯片读取。如果系统还需要进行光子计数、飞行时间计算、直方图统计或实时目标识别，通常需要增加额外的读出电路和后端处理模块。
三、SPAD为什么适合下一代弱光探测？
SPAD是一种工作在盖革模式下的雪崩光电二极管。普通光电二极管接收到光子后，会输出一个与光强相关的微弱电流；而SPAD在接收到单个光子后，可以触发一次明显的雪崩脉冲。因此，SPAD并不是简单地把光信号放大成图像，而是在判断某一时刻是否有光子到达。
这种探测方式使SPAD具有以下几个重要特点。
（一）具备单光子探测能力
SPAD能够对单个光子产生响应，适合极弱光条件下的目标探测、荧光测量和远距离激光回波检测。需要注意的是，单光子探测并不意味着系统不存在噪声。SPAD仍然会受到暗计数、背景光、余脉冲和像素串扰等因素的影响。因此，在实际应用中，通常还需要通过器件结构设计、温度控制、时间门控和信号处理算法抑制噪声。
Pi imaging SPAD512暗计数分布：从统计结果可以看出，暗计数主要集中于约10 cps附近，仅有少量高暗计数像素。
（二）具有较高的时间分辨率
SPAD的雪崩响应速度很快，配合时间数字转换器，可以实现皮秒级或亚纳秒级时间测量。在飞行时间测距中，时间分辨率会直接影响距离分辨能力。光在真空中每传播约30厘米，所需时间约为1纳秒。如果采用往返飞行时间进行测距，1纳秒的往返时间对应约15厘米的距离。探测器记录光子到达时间的精度越高，系统就越容易实现精确测距，也越容易从背景光中识别出真正的目标回波。
该图显示了Pi imaging SPAD512图像传感器上的时间门控形状。6ns门宽，350 ps上升时间和150 ps下降时间。
（三）天然适合数字化处理
SPAD输出的是离散电脉冲，可以直接进行光子计数、时间标记和统计分析。在现代SPAD阵列中，探测单元附近还可以集成计数器、门控电路、时间数字转换器和部分数据处理模块。也就是说光子探测、时间测量和部分信号处理可以在芯片内部完成，从而减少外部电路数量，提高系统的实时性和集成度。
（四）可以采用CMOS工艺制造
SPAD阵列可以与成熟的CMOS制造工艺相结合，有利于实现规模化生产和片上集成。近年来，背照式SPAD、三维堆叠SPAD和大面阵SPAD技术持续发展，使SPAD在光子探测效率、像素数量、填充因子和时间分辨率等方面不断提升。这也是SPAD从单点探测器逐步走向阵列成像和系统级应用的重要原因。
四、SPAD与ICCD不应只比较单项参数
判断SPAD能否替代ICCD，不能只看“谁的增益更高”或者“谁的时间分辨率更好”，而应结合具体应用进行系统级比较。
例如，在脉冲激光主动探测系统中，可以从以下几个维度评估两种技术路线。
1.弱光探测方式
ICCD主要通过光电转换、电子倍增和图像读取完成弱光成像。
SPAD则通过单光子触发雪崩，将光子到达事件转换为电脉冲，并进行数字计数或时间测量。
2.时间门控与时间分辨率
ICCD通常能够实现纳秒级高速门控，适合选通成像和背景光抑制。
SPAD不仅可以进行高速门控，还可以配合时间数字转换器记录单个光子的到达时间，在飞行时间测距和时间相关成像中更具优势。
将帧速率从400 fps更改为70，000 fps捕捉快速移动的物体。
3.输出形式
ICCD主要输出经过增强的二维灰度图像。
SPAD可以输出光子计数结果、时间戳、光子到达直方图或重建后的深度信息，更适合数字化处理。
4.系统供电
ICCD通常需要高压驱动模块。
SPAD虽然也需要高于击穿电压的偏置电压，但其整体供电和驱动方式更适合半导体电路集成，通常不需要ICCD所采用的复杂高压真空器件系统。
5.系统集成能力
ICCD的集成度受到真空封装、微通道板、荧光屏和光学耦合结构的限制。
SPAD则可以与时间数字转换器、计数器、存储电路和处理单元集成在同一芯片或堆叠芯片中。
6.长期工作稳定性
ICCD需要考虑微通道板老化和增益变化。
SPAD没有微通道板老化问题，但仍需要控制暗计数、温度漂移、余脉冲和像素串扰。
因此，两种技术都需要结合实际工作环境评估长期稳定性。
7.典型应用优势
ICCD的优势主要体现在成熟弱光成像、大面阵成像和高速选通成像等方面。
SPAD的优势主要体现在单光子计数、高时间分辨率、飞行时间测量、小型化和数字化处理等方面。
由此可以看出，两种器件的优势并不完全重合。
ICCD更接近一套成熟的弱光增强成像系统，而SPAD更接近一种高速、数字化的单光子探测平台。
因此，在注重以下指标的应用领域，ICCD很可能被SPAD取代：
1.需要精确记录光子的到达时间；
2.需要进行飞行时间测距；
3.需要在较强背景光中提取短脉冲回波；
4.对设备体积、重量和功耗要求较高；
5.需要高速重复采集和实时处理；
6.需要将探测器和数字电路进行高度集成。
SPAD的价值，并不只是某一个参数高于ICCD，而是它改变了弱光探测系统的实现方式。ICCD采用的是“光电转换—电子倍增—图像读取”的传统技术架构，而SPAD采用的是“单光子探测—数字计数—时间测量”的新型技术架构。这种架构使SPAD能够在较小体积和较高集成度下，实现单光子计数、高时间分辨率和高速数字处理。
因此，在激光飞行时间测量、微弱回波探测、实时三维成像和小型化光电系统中，SPAD已经不仅是一种实验室器件，而是一条具备实际工程替代价值的技术路线。SPAD与ICCD之间的竞争不会简单取决于谁的单项参数更高，而将取决于谁能够以更低的系统成本、更高的可靠性以及更适合应用的方式完成目标探测任务。
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参考文献
SMITH J T, RUDKOUSKAYA A, GAO S, et al. In vitro and in vivo NIR fluorescence lifetime imaging with a time-gated SPAD camera[J]. Optica, 2022, 9(5): 532-544. DOI: 10.1364/OPTICA.454790.
BRUSCHINI C, HOMULLE H, ANTOLOVIC I M, et al. Single-photon avalanche diode imagers in biophotonics: review and outlook[J]. Light: Science & Applications, 2019, 8: 87. DOI: 10.1038/s41377-019-0191-5.
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