emccd中的光子计数技术综述

图1 -“光子计数”与。“标准电磁通”成像非常微弱的信号:
图像A, B和C是在相同的光照条件下，相同的曝光时间下记录的，每张图像的EM增益设置为x1000。在低时钟诱导电荷(CIC)条件下，光子计数的好处是显而易见的。图像D和E来源于大量累积的图像，以产生更大的可测量的信噪比。在每幅图像上使用相同位置的感兴趣区域，确定标准图像和光子计数图像的S/N分别为3.86和6.02。该因子的改进符合光子计数理论，克服了EMCCD信号中乘性噪声(噪声因子)的影响。

EMCCD中的光子计数是克服与放大过程相关的乘性噪声的一种方法，从而将信噪比提高到根号2(并将EMCCD的有效量子效率提高一倍)。只有具有低噪声地板的emccd才能进行光子计数。该方法可以通过创新的方法来后处理过程动力学数据来进一步增强。

行业领先的暗电流和时钟感应电荷(CIC)规范的安多尔的背光iXon Ultra 897和888模型使他们独特地适合通过光子计数成像。

光子计数只能在信号很弱的情况下成功进行，因为正如它的名字所暗示的那样，它只涉及到每像素计数单个光子。如果在曝光过程中有多个光子落在一个像素上，EMCCD(或ICCD)无法将产生的信号尖峰与单个光子事件的信号区分开来，因此单帧曝光的动态范围被限制为一个光子。

为了成功地利用emccd进行光子计数，必须要有比暗电流/CIC“噪声峰值”更高的概率看到“光子峰值”。iXon Ultra 897和888具有市场上最低的暗电流/CIC性能，产生较低的检测限和较高的对比度图像。

在这样的超低光条件下，“光子计数模式”成像的关键优点是它是一种规避乘法噪声的方法，也被称为“噪声因子”。乘法噪声是电子乘法过程的副产品，它同时影响emccd和ICCDs。事实上，据测量ICCDs要高得多。对emccd的噪声因子进行了理论推导和测量;为了解决这个问题，你将信号的散粒噪声增加到√2 (~x1.41)。这就给出了新的“有效的散粒噪声”，已经为乘法噪声进行了校正。这个额外的噪声源对整体信噪比的影响，可以在名为“EMCCD信噪比图”的技术说明内的信噪比图中轻易看出。

图2 -如何将光子计数应用于动力学序列作为后处理步骤的示意图，在“试错”交易信噪比和时间分辨率方面提供了更大的灵活性。

光子计数模式并不测量单个光子脉冲的确切强度，它只是记录其存在高于阈值。它在连续的曝光中这样做，并将单个的“二值”图像组合成最终的图像。因此，这种操作模式不受乘噪的影响(乘噪描述了所选平均乘系数周围乘值的分布)。最终的结果是，通过这种采集方式获得的微光图像比相同总曝光时间下的单个集成图像的信噪比提高了~x1.41倍。

为了成功地利用emccd进行光子计数，必须要有比暗电流/CIC“噪声峰值”更高的概率看到“光子峰值”。在累积的序列中，这个“杂散”噪声源对单个曝光的贡献越低，光子计数的检测限就越低，整个图像就越干净，如图1所示。

iXon Ultra 897和888具有市场上最有效的组合冷却/CIC最小化，比使用相同的512 × 512或1024 × 1024传感器的其他竞争对手的emccd都要低。因此，光子计数的检测限制明显较低。iXon直观地提供光子计数模式，无论是作为实时采集或作为后处理步骤。OptAcquire可以首先用于优化光子计数采集的相机。

光子计数后处理
作为后处理分析，用户可以灵活地“试错”光子计数一个预先记录的动力学序列，通过选择每个光子计数的图像应该贡献多少图像来权衡时间分辨率和信噪比。例如，一组1000张的图像可以分解成20张光子计数的图像，产生50个时间点。如果需要更好的信噪比，可以使用50个光子计数图像组重新处理原始数据集，得到20个时间点。