在emccd中计算动态范围

在emccd中计算动态范围通常是一个困惑的来源，因为需要考虑电磁增益和增益寄存器的扩展井容量。通过对电磁增益的微调，emccd可以获得高动态范围。

动态范围(DR)为:DR =满井容量+检测限

在EMCCD相机中计算动态范围比传统ccd稍微复杂一些。这是因为电磁增益对检测限的有利影响，而对全井产能的限制作用。解决这个问题最简单的方法是首先分别取每个参数:

检测限和电磁增益

EMCCD的主要功能是消除读噪声检测极限，并能够检测弱光子信号，否则将在此噪声下限内丢失。对于EM增益，检测极限由“有效读噪声”给出，即读噪声除以增益乘法，直到一个电子。为什么永远不少于1 ?这源于检测限的定义，本质上是“信号等于最低噪声水平”。既然你不能得到一个小于一个光子的信号，那么检测极限就不应该小于一个电子。

例如，iXon Ultra 888的读噪声为~45个电子@10 MHz，电磁增益关闭。在EM增益x2时，新的检测极限可以被认为是22.5个电子的有效读噪声，在x5时它将是9个电子，在x45时它将是1个电子。在x100下，有效读噪声将是0.45个电子，但就动态范围计算而言，这个检测极限仍然必须被视为1个电子。

全井产能和电磁增益

人们可能会认为，应用EM增益会按比例降低整个井的像素容量。这确实是事实，但EMCCD摄像机内置了缓冲区，在保持原始井容量的同时，至少可以应用一些EM增益。该缓冲区以增益寄存器像素中更高容量的形式存在，乘法实际上发生在增益寄存器像素中。因此，真正的容量是由传感器像素的容量给出的，但当你应用EM增益时，这只会持续到增益寄存器像素的较大容量也被应用EM增益饱和为止。在这一点之后，你必须修正传感器的“有效”满阱，使其等于增益寄存器的满阱除以增益。

动态范围和电磁增益

上述因素综合在一起意味着，随着电磁增益的增加，动态范围将随着增益的增加而增加到最大值，然后趋于平稳，然后达到一个点，在此点上，它开始再次随着进一步的增益而消耗。

iXon Ultra 888背光EMCCD可以在30,20,10或1 MHz速度下读取。这提供了扩展的灵活性来平衡动态范围和帧速率。此外，OptAcquire可用于在最快和最慢速度下选择最佳动态范围设置。

这看起来可能很复杂，但幸运的是，这些DR与EM增益关系可以很容易地绘制出来，并以图形形式可视化，如图1所示。

图1 -动态范围vs EMCCD增益，用于iXon Ultra 897。显示EM放大器@ 17,10和1 MHz读出速度和常规放大器在1 MHz读出速度。用于DR计算的井容量是来自E2V的CCD97 512 x 512背光L3传感器的特征。动态范围仅超过14位最大@ 1兆赫，通过任一放大器。

从这些图表中，有一些有趣的地方值得注意:

• 通过em放大器提供低于17 MHz的读出速度的基本原理是，这样帧速率可以与动态范围进行权衡。您可以看到，通过EM放大器的最高动态范围来自于最慢的1 MHz读出速度。
• 在通过EM放大器的任何读出速度下，在EM增益设置等于该速度下的读出噪声时，可以获得动态范围和灵敏度的最佳组合。此时DR达到最大值，有效读出噪声为1电子(即刚好处于单光子灵敏度的边缘)。
• 在x1000 EM增益时，动态范围仅为400:1。过高的EM增益也会加速背光emccd的EM增益老化(见第7节)。x300或更少的EM增益足以优化灵敏度，同时确保动态范围不会过度受损。Andor建议将EM增益扩展到x1000的唯一场合是单光子计数实验。
• 最高的动态范围是通过传统的CCD放大器。
• 很明显，通过EM或传统放大器，实际的传感器动态范围在1 MHz时仅超过14位。因此，在1mhz时，将更高的动态范围输出与科学级、无噪声的16位a /D数字化相匹配就变得非常重要。

注意:在给定的读出速度下，读出噪声和最大动态范围之间有直接关系。较低的读出噪声提供较高的动态范围。用于计算动态范围的读出噪声规范必须关闭电磁增益，正如所有iXon规范表中所引用的那样。然而，我们注意到，另一个著名的EMCCD提供商选择引用他们的最低读噪声值，而不是EM增益，而是EM增益x4, x6或x10(取决于模型)。在这种情况下，要得到真正的读噪声规格，您必须将引用的数字乘以x4、x6或x10。