CCD代表什么?电子倍增相机

EMCCD技术，有时被称为'芯片上的乘法，是一种创新的传感器技术，首次引入到数字科学成像界和或技术2001年，随着高端产品的推出iXon EMCCD摄像平台超灵敏相机。本质上，EMCCD是一种图像传感器，能够检测和量化单光子事件，而不需要图像增强器。这是通过内置在芯片中的独特电子倍增结构实现的。多年来，这项技术不断完善，从而产生了iXon Ultra和Life系列，提供无与伦比的灵敏度。

EMCCD:前所未有的灵敏度与高速

EMCCD相机克服了基本的物理限制，以提供高灵敏度和高速。传统的CCD摄像机提供高灵敏度，读数噪声在<10e的个位数范围内-但这只能以读取速度慢为代价。因此，它们通常被称为“慢扫描”相机。基本的限制来自CCD电荷放大器。为了实现高速运行，电荷放大器的带宽需要尽可能宽，但噪声随放大器带宽的增加而增加，因此速度越快的放大器噪声越高。慢扫描ccd的带宽相对较低，因此只能以中等速度读取，通常小于1MHz。

EMCCD摄像机通过在电荷放大器之前放大电荷信号来避免这一限制，因此可以传输高速下前所未有的灵敏度．信号在读出之前的放大意味着读出噪声被有效地绕过，而通常在CCD和CMOS中设定灵敏度极限的读出噪声被抵消。

图1:EMCCD传感器的结构示意图

大多数emccd也使用帧传输CCD结构如图所示图1．帧传输ccd功能两个领域-正常的传感器“图像部分”，用于捕获图像和一个额外的“存储区域”，在读取之前将图像存储在其中。存储区域通常与传感器区域大小相同，并覆盖着一个不透明的掩膜，通常由铝制成。在采集过程中，传感器区域暴露在光信号下并捕获图像，然后该图像自动向下移动到芯片的掩膜区域后面，然后读取出来。在此过程中，传感器区域已准备好为下一张图像收集信号。因此，传感器存储部分的铝掩膜就像一个电子快门或缓冲器。为了读出传感器，电荷通过读出寄存器转移出去，然后通过乘法寄存器。在乘法寄存器中，EMCCD相机的放大过程发生在电荷放大器的最终读数之前。

图2:EMCCD的增益寄存器具有数百个在电势存在下利用冲击电离的细胞。

放大在乘法寄存器中通过中突出显示的方案进行图2．EMCCD相机的倍增寄存器包含数百个细胞，放大过程发生在每个细胞中，通过利用ccd中自然发生的过程Clock-Induced电荷(也称为伪电荷)。时钟诱导的电荷传统上被认为是消极意义上的噪声源，需要最小化，但对于emccd不是这样。当通过寄存器“计时”电荷时，有一个非常微小但有限的概率，即被计时的电荷可以通过称为“撞击电离”的过程产生额外的电荷。碰撞电离当一个电荷有足够的能量产生另一个电子-空穴对，因此传导带中的自由电子电荷可以产生另一个电荷时发生。正是通过这种方法，甚至可以放大一个非常小的信号。

为了使该过程可行，emccd通过两种方式控制该过程。首先，任何一个电荷产生第二个电子的概率都是通过用更高的电压给最初的电子电荷更多的能量来增加的。其次，EMCCD设计有一系列数百个单元，其中可以发生撞击电离，尽管在任何一个单元中放大或倍增的概率很小，但在单元寄存器上，概率变得非常高，可以实现从原始信号获得高达数千个增益。

电荷相乘的概率随温度如图3-温度越低，概率越高，EMCCD的增益也就越高。这种可能性也会随着施加在乘法寄存器上的电压增加而增加。通过调整施加在传感器上的温度和电压，EMCCD摄像机可以根据传感器的不同，通过施加25-50V的电压，实现从电压~20V到数千v的几乎统一增益。

图3:电磁增益与传感器冷却温度

除了EM增益能力外，EMCCD相机基本上与常规ccd具有相同的品种，因此它们具有相同的属性和量子效率。它们也有ccd同样的噪音问题，但有一个额外的复杂性。放大过程增加了额外的噪声，必须考虑到这一点，并导致噪声系数大于1。这个噪声的细节将在后面的部分中介绍。

图4:EMCCD增益的动态范围

EMCCD增益也会使摄像机的动态范围复杂化，如图所示图4．最初，随着电磁增益的应用，动态范围增加。电磁增益降低了有效读噪声，但电磁增益寄存器中较高的井容量可以容纳放大的信号。当EM增益寄存器不能再容纳像素的放大全阱容量时，动态范围变平。当增益足以将噪声降低到单光子水平以下时，动态范围就会下降。

电荷进入EMCCD传感器增益寄存器的确切增益是不可能知道的，因为产生增益的过程是随机的。然而，对于给定的输入电荷，我们可以计算输出电荷的概率分布。在图5下面，对于增益设置为500的典型EM寄存器，获得不同输入电荷的不同输出电荷的概率被绘制出来。

图5:概率vs输出电子数

如果我们测量1000个电子的输出信号，你可以从相反的图表中看到，有一个合理的概率，这个信号可能是由1、2、3、4甚至5个电子的输入信号产生的。在高增益(>30)时，这种不确定性引入了一个额外的噪声分量，它依赖于输入信号，因此就像EM放大器的噪声因子一样。文中详细介绍了噪声因子如何影响信噪比:比较EMCCD, ICCD和CCD相机．

光子计数

在事件中，当有少于1个电子落在一个像素在一次曝光，EMCCD可用于光子计数模式。在这种模式下，一个阈值被设置在普通放大器读数之上，所有事件都被算作单个光子。在这种模式下，使用合适的高增益，入射光子的高比例(>90%)可以被计数，而不受噪声因子效应的影响。

由于这种独特的能力可以提高低信号水平，从而有效地消除读取噪声，EMCCD相机提供一个敏感度等级这仍然是新一代背光灯无法企及的CMOS摄像头因此，是一个有效的解决方案，应用于生命和物理科学研究。bob综合app官网登录例如，作为超灵敏探测器单分子生物物理学实验和纠缠光子研究．

仔细看看安多的EMCCD相机下面……