量子光學利用量子糾纏和量子相干的獨特性質,使成像和微觀技術的解析度和敏感度遠超傳統光學物理的極限。透過控制個別光子和光子對的量子態,量子成像系統可觀察到病毒大小的細胞組織結構,以及絕緣體材料中的奈米級缺陷。這種操縱光的粒子性開啟了成像科學新的紀元,有望使細胞組織和神經結構等的高解析度成像廣泛應用於生物醫學領域。
實現量子光學成像的核心是高效和高敏感的單光子感測。與傳統的雪崩光電二極體(APD)、增強型耦合電荷探測器(ICCD)等不同,單光子雪崩二極體(SPAD)可準確識別單個入射光子並標記其到達時間,從而檢測出不同通道光子的相干性。SPAD傳感器的這一獨特優勢,使其成為量子成像領域的最佳解決方案。
Enlitech的SPD2200是開創性的商業級SPD特性分析系統，專注於分析和測試對LiDAR技術重要的SPAD。近期成功賣入全球SPAD前三大晶圓廠之一**。**它提供了光譜和時域特性分析模塊，靈活滿足了dToF模塊開發中多樣的測量需求，可靈活選擇單個模塊或綜合使用以進行全面性的特性分析。
量子成像通常依賴於光子的量子糾纏和量子相干性。這需要同時檢測兩條光路中個別光子的到達時間,以標記光子對的關聯性。而SPAD傳感器可以提供細至百皮秒量級的時標功能。與CCD或CMOS成像傳感器取得的整幅影像不同,SPAD通過事件驅動式讀出記錄單個光子事件,從而高效提取量子光學成像所需的關鍵信息。
單光子感測為從顯微尺度到生物組織或器官水平的各種跨尺度的量子成像技術提供了可能。比如利用量子光學原理設計的光學相干斷層掃描可以實現細胞和組織的三維結構重建;而單光子自相關光譜技術可以實現深部組織的非侵入式檢測。隨著光子檢測方法的發展,量子成像未來可望在生命科學和醫學領域得到廣泛應用。
當前,整合單光子檢測技術的量子相機和顯微鏡仍屬實驗室概念驗證階段。但其展現的解析度和動態範圍已遠超同類產品。量子光學成像技術充分利用量子世界的奧秘,必將給人類開啟嶄新的景象和認知世界的新視野。讓我們一起期待這場影像領域的量子革命!
圖20 帶電晶閘控SPAD圖像傳感器像素架構 [64] 採用許可複製 [64] 版權2018年,SPIE。
圖26 不同工藝製作的SPAD的PDP比較 [54,65,81,82] 為完整起見,還增加了與ICCD PI-MAX4-III Gen 和 EMCCD ANDOR iXon3相關的PDP。
