评估CCD灵敏度相机灵敏度

需要考虑的关键因素

灵敏度是任何检测系统的关键性能特征。在评估任何敏感性时CCD传感器它是可实现的信噪比这是至关重要的。这封装了使信号从周围噪声中脱颖而出的能力。

图1:单像素(成像模式)的检测限作为曝光时间的函数，以33 kHz读出，读出噪声为4.6个电子。

确保最佳信噪比的方法是:a)开发具有最高量子效率的传感器;b)将各种噪音源减少到最低。

量子效率(QE)与传感器对入射光子信号的响应能力以及将其转换为可测量的电子信号有关。显然，一个给定的光子信号产生的光电子数量越多，QE就越高。QE通常表示为概率-通常以百分比格式给出-例如，QE为0.6或60%表示每个入射光子将释放一个光电子的概率为60%。QE是一个波长或光子能量依赖函数，通常选择在感兴趣的波长区域具有最高QE的传感器。人们采用各种方法来提高CCD传感器的量子效率。这些包括:

• 背部照明-传感器的背部减薄，光线通过背部传递，使入射光子更容易到达并被传感器的有源层吸收
• 抗反射涂层-针对特定波长区域进行优化
• 深度损耗-有源层在一定程度上增加，以增加近红外(NIR)光谱部分光子的吸收概率
• Lumogen涂层-通过吸收紫外线光子并将其转换为更容易被CCD检测到的可见光子来提高紫外线区域的灵敏度
• 与光谱学相比，微透镜与成像传感器更相关，它允许更多的光被收集到传感器的敏感区域，从而增加填充因子

噪音的来源

下一个关键挑战是将总体噪声降低到最低(后者通常被称为噪声底)。在光子产生的(电子)信号(S)内的射击噪声是对整体噪声的内在贡献，与基础量子物理有关;它总是任何信号的一部分。如果入射信号中的光子数为P，量子效率为QE，则产生的光电子信号为S = (QE.P)。接下来要考虑的是系统或相机噪声，它有三个主要贡献者，传感器的暗电流(DC)，伪电荷，如时钟诱导电荷(CIC)，以及来自输出电子器件(前置放大器和A/D节点)的读出噪声。噪声源及处理方法概述如下:

• 信号发射噪声(NSN) -任何信号本质上固有的信号NSN = vS = v(QE.P)
• 暗噪声(NDN) -与热产生的暗电流NDN =v(DC.t)相关-其中“t”对应于曝光时间:通过冷却传感器降低暗电流(DC)
• 时钟诱导充电噪声(NCIC) -当将电荷移出传感器时，像素时钟期间产生的杂散噪声;通过实现微调和良好控制的时钟电压，特别是对时钟边缘精确到纳秒分辨率的精细控制，可以最大限度地减少这种情况
• 读出噪声(NRN) -这在数字化信号发送到PC之前产生于读出电子器件，可以通过使用较低的读出速率和干净的时钟脉冲来降低

通常高性能相机是在特定的温度和时钟速度下工作的，这样检测极限是由读出噪声决定的。各种噪声源可以正交相加，得到整个系统或相机的噪声，可以表示为:

典型iDus - BRDD CCD相机的系统噪声特性如图1所示。显然，暗噪声将随着曝光时间的增加而上升，因此对于长时间曝光，整个系统噪声(因此检测限)将由暗噪声贡献主导。通过冷却，暗噪声的贡献显著降低，并通过充分的冷却可以降低到一个不显著的水平。这显示为高原区域，系统噪声现在读数噪声受限。

在一个给定的实验中，当需要非常长的曝光时间(如果不是100秒的话，至少是10秒)时，冷却的优势是显而易见的。然而，如果使用的曝光时间很短，那么很明显，使用超深冷却几乎没有好处。举例来说，假设曝光时间少于1000秒(很长的曝光时间)。

将传感器冷却到-75ºC以下几乎没有优势，此时系统运行在与读出噪声限制相对应的低平台上。同样，如果使用的曝光时间少于10秒，则将温度降至-50ºC以下几乎没有益处。当考虑QE的温度依赖性时，必须谨慎选择最佳工作点或温度以获得最佳性能，特别是在近红外区域工作时

给定CCD系统的总体信噪比(SNR)可以用以下形式表示:

该功能使任何常规CCD的性能都能根据关键参数的值进行评估，这些参数通常包含在规格或性能表中。

以下几点值得注意:

• QE有一些温度依赖性，特别是在近红外区域工作时-简单地将传感器冷却到尽可能低的温度不一定能确保相机的最佳性能
• 当使用较短的曝光时间(<1秒)时，对冷却的要求有所降低。
• 长时间曝光需要深度冷却(>10秒)

已经开发出先进的探测器，将灵敏度提高到探测单个光子的水平。这些系统使用乘法过程放大最初检测到的信号，导致在CCD读取时增强S/N。两项主要技术是:

• ICCD-在标准管前面加一个增强管的增强电荷偶装置CCD相机；增强器使用微通道板(MCP)在CCD检测之前对信号进行放大
• EMCCD-电子倍增(EM)电荷耦合装置它使用带有特殊读出寄存器的传感器;电磁寄存器使用一种称为离子撞击电离的过程放大电子信号

基本信号被放大或倍增的程度被称为增益因子。这可以通过软件进行选择，并导致ICCD和EMCCD电磁读出寄存器中应用的时钟电压在MCP上的电压变化。

当使用EMCCD或ICCD时，必须考虑与放大过程本身相关的额外噪声源;这种变化是任何乘法过程所固有的。这是通过所谓的噪声因子(F)来量化的。对于EMCCD摄像机，噪声因子为v2或~1.41。iccd中的噪声因子取决于所使用的增强管的类型和质量:这些可以有~1.6到~3.5的值。考虑噪声因子(F)和实际或实际增益(G)，提供增益的系统的总噪声可表示为:

EMCCD或ICCD的信噪比可以写成:

当高性能系统在深冷却低噪声环境下运行时，与读出的噪声相比，暗噪声和伪噪声可以忽略不计，信噪比的表达式可以简化为:

从这里可以看出，通过增加增益G，涉及读出噪声NRN的项与信号的固有shot噪声相比变得不重要，从而具有超灵敏的检测能力。EMCCD和ICCD系统在适当的配置下，具有足够高的增益，可用于单光子计数型实验。

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