EMCCD的增益解析

  EMCCD（Electron Multiplying CCD），即電子倍增CCD，通常用來(lái)探測(cè)一些經(jīng)常被淹沒(méi)在噪聲里的微弱信號(hào)，雖然傳統(tǒng)的CCD也可以探測(cè)這些信號(hào)，但是通常需要較長(zhǎng)的曝光時(shí)間（整合可探測(cè)的信號(hào)）和緩慢的讀出速率（降低噪聲），而EMCCD通過(guò)電子倍增的方式，可以用更短的曝光時(shí)間以及更高的讀出速率完成同樣的工作

        EMCCD與普通CCD的區(qū)別，在于普通CCD的讀出寄存器后面增加一個(gè)增益寄存器，從而將電子信號(hào)放大，其中的原理就是利用電子在轉(zhuǎn)移過(guò)程中產(chǎn)生的“撞擊離子化”效應(yīng)，從而產(chǎn)生新的電子。具體原理如下圖所示：

由上圖可知，EMCCD的工作過(guò)程分為5個(gè)步驟：

1. 在積分周期內(nèi)，成像區(qū)將光子轉(zhuǎn)化成電荷；

2. 成像區(qū)電荷轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)；

3. 存儲(chǔ)區(qū)電荷轉(zhuǎn)移到讀出寄存器；

4. 讀出寄存器電荷轉(zhuǎn)移到增益寄存器，并在其中進(jìn)行電子倍增；

5. 倍增后的電荷通過(guò)讀出放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

        在第4步中，對(duì)增益寄存器施加高電壓（一般為40-50V），在電子通過(guò)時(shí)由于碰撞電離效應(yīng)產(chǎn)生新的電子，這樣，經(jīng)過(guò)多次累加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電子的倍增。雖然每次倍增率g都非常小（一般g在0.001至0.016），但是經(jīng)過(guò)n次增益寄存器的轉(zhuǎn)移（一般在500至600次），總增益G=（1+g）ⁿ會(huì)非常可觀。例如：n=577，g=0.008，則G=（1+0.008）⁵⁷⁷≈99；而如果倍增率g稍微增加，比如g=0.016，那么G=（1+0.016）⁵⁷⁷≈9500，由此可以看出，總增益取決于倍增次數(shù)n和每次的倍增率g，并且總增益值只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值而非一個(gè)確切的數(shù)字。

        由于信號(hào)電子在增益寄存器中通過(guò)“撞擊離子化”效應(yīng)產(chǎn)生新的電子，隨著使用時(shí)間的增加，半導(dǎo)體材料會(huì)不斷的減少，為了維持較高的增益G不變，增益寄存器上的偏置電壓需要不斷增加，然而電壓不可能無(wú)限制上升，因?yàn)樗艿窖趸瘜訐舸l件的限制。這種情況下，英國(guó)Raptor公司新推出的EMCCD相機(jī)可以通過(guò)控制軟件命令調(diào)整12位（0-4095）的時(shí)鐘電壓振幅模數(shù)轉(zhuǎn)換器控制電子倍增寄存器產(chǎn)生的特定的高增益，也可以通過(guò)降低探測(cè)器的溫度增加信號(hào)電子在增益寄存器中的增益倍率，從而在增益寄存器施加低電壓的情況下得到一個(gè)較高的總增益，并且大大提高了探測(cè)器的壽命。

        綜上所述：總增益G與CCD的探測(cè)靈敏度密切相關(guān)，選用準(zhǔn)確的G值對(duì)于CCD性能有重要的影響。G值過(guò)低，不能有效的消除系統(tǒng)的讀出噪聲；G值過(guò)高，減弱可探測(cè)的峰值，對(duì)小信號(hào)有不必要的靈敏度，并且會(huì)加速傳感器的老化速度。所以，選擇一個(gè)合適的G值是非常重要的。

  英國(guó)RAPTOR公司是一家研發(fā)、生產(chǎn)高品質(zhì)EMCCD相機(jī)的專業(yè)廠家，其產(chǎn)品在天文、科研等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

  西安立鼎光電是RAPTOR公司中國(guó)區(qū)的戰(zhàn)略合作伙伴，負(fù)責(zé)該公司產(chǎn)品在中國(guó)的技術(shù)支持和產(chǎn)品推廣。

EMCCD Falcon Ⅲ

產(chǎn)品特點(diǎn)

◆波長(zhǎng)范圍 200-1100nm

◆分辨率 1024x1024

◆像元尺寸 10µm x10µm

◆EM增益 x5000

◆讀出噪聲 <1e-

◆幀速 31Hz

◆背照芯片QE＞95%

◆深度制冷 -70°C

EMCCD Hawk 252

產(chǎn)品特點(diǎn)

◆波長(zhǎng)范圍 300-1100nm

◆分辨率 1280x1024

◆像元尺寸 8µmx8µm

◆QE: >95% @600nm

◆動(dòng)態(tài)范圍 55dB

◆幀速 25/30Hz

應(yīng)用領(lǐng)域

●自適應(yīng)光學(xué)及天文

●鈣信號(hào)

●熒光成像 / 光譜

●高分辨率熒光成像

●高光譜成像

●活細(xì)胞成像

●光子計(jì)數(shù)

●單分子探測(cè)