量子图像传感器（QIS）：从 Jot 器件到光子数分辨成像摘要量子图像传感器（Quanta Image Sensor, QIS）是继 CCD 与 CMOS 图像传感器之后的第三代固态成像技术，其核心理念是将“光子计数”从物理实验室带入可规模化制造的芯片之中。QIS 通过一类称为“Jot”的超小像素结构，在室温下实现深亚电子读出噪声（Deep Sub-Electron Read Noise, DSERN），从而无需雪崩倍增即可分辨单个光电子。本文从 QIS 的概念起源与理论模型出发，系统阐述 Jot 器件的设计原理与实现路径，重点分析 CIS-QIS 与 SPAD-QIS 两种技术路线的架构差异与性能权衡，进而讨论从二值 Jot 输出到灰度图像像素的计算成像重建过程，最后评估 QIS 在光子数分辨精度、暗电流与动态范围等方面的独特优势与当前局限。关键词：量子图像传感器；Jot；深亚电子读出噪声；光子计数；光子数分辨一、引言：为何需要“量子”图像传感器传统 CMOS 图像传感器（CIS）在过去三十年经历了像素尺寸的持续微缩与性能的飞跃，但其读出噪声通常停留在 1–3 e⁻ r.m.s. 量级。这一噪声底线意味着：当入射光微弱到每个像素在曝光周期内仅产生几个甚至不足一个光电子时，信号将被读出噪声完全淹没。换言之，传统 CIS 的灵敏度下限由读出电路的热噪声与 1/f 噪声所设定，而非由光子本身的量子特性所限制。量子图像传感器的基本思想正是打破这一限制。2005 年，Eric R. Fossum 提出了一种“二进制光子计数图像传感器”的构想：使用数十亿个极小的专用像素，每个像素仅需判断“有”或“无”光电子到达，以每秒上千帧