圖 1：EMCCD 傳感器示意圖。光子在圖像捕獲區(qū)域內(nèi)被收集并轉(zhuǎn)化為光電子，然后轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)域。然后，這些電子在擴(kuò)展乘法寄存器中被放大，從而在不增加任何讀取噪聲的情況下增加產(chǎn)生的信號(hào)。

EMCCD傳感器

電子倍增 CCD (EMCCD) 是硅基 CCD 的一種變體，它使用電子倍增將電子信號(hào)大大提升到讀取本底噪聲之上，以最大限度地提高低光成像的靈敏度。光子在EMCCD傳感器上的收集方式與CCD傳感器類似，但是，添加EM增益寄存器允許在讀出光電子之前放大光電子。這意味著信號(hào)高于讀取噪聲，讀取噪聲實(shí)際上低于一個(gè)電子。

由于這一光電子放大步驟，EMCCD相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)單光子檢測(cè)，在高幀速率下具有亞電子讀取噪聲。因此，EMCCD傳感器的應(yīng)用范圍很廣，從穩(wěn)態(tài)天文成像到動(dòng)態(tài)單分子追蹤。

信號(hào)倍增過程

EMCCD傳感器利用片上倍增益技術(shù)來增加光子產(chǎn)生的電子數(shù)。這個(gè)過程發(fā)生在電荷到達(dá)讀出放大器之前，因此在施加讀數(shù)噪聲之前，信號(hào)會(huì)增加。

光電子通過增加的電壓(高達(dá)50 V)沿著稱為乘法寄存器的擴(kuò)展串行寄存器加速。然后通過由施加電壓維持的沖擊電離過程產(chǎn)生二次光電子，如圖 1 所示。乘法水平可以通過改變時(shí)鐘電壓來調(diào)整，電子增加和電壓之間呈指數(shù)關(guān)系。將信號(hào)乘以高于輸出放大器的讀取噪聲，可在高工作速度下實(shí)現(xiàn)超低光檢測(cè)，EM增益為>1000倍。

例如：

? 60 電子–讀取噪聲，10 倍 EM 增益 = 6 e–讀取噪聲

? 60 電子–讀取噪聲，100 倍 EM 增益 = 0.6 e–讀取噪聲

? 60 電子–讀取噪聲，1000 倍 EM 增益 = 0.06 e–讀取噪聲

片上乘法增益是乘法寄存器上的像素?cái)?shù)以及該像素上的電子產(chǎn)生次級(jí)電子的概率的函數(shù)。這可以通過以下關(guān)系來表示：G = (1+g)N

其中 G 是乘法增益，N 是乘法寄存器中的像素?cái)?shù)，g 是產(chǎn)生二次電子的概率。該概率取決于電壓電平和CCD溫度，通常在0.01 – 0.016之間。雖然這個(gè)百分比很小，但它可以極大地改變生成的輸出信號(hào)。

與CCD的比較

在低光照度成像期間，EMCCD的靈敏度高于CCD傳感器。這是由于EM增益寄存器，它可以在不增加讀取噪聲的情況下放大檢測(cè)到的信號(hào)。當(dāng)對(duì)光子數(shù)量較少的樣品進(jìn)行成像時(shí)，CCD需要慢速掃描來檢測(cè)信號(hào)。由于EMCCD具有EM增益，因此它們不需要長(zhǎng)時(shí)間曝光即可檢測(cè)任何信號(hào)，因此能夠以更快的速率讀取，從而比CCD快100倍。

然而，當(dāng)對(duì)沒有低光子信號(hào)的樣品進(jìn)行成像時(shí)，CCD的性能優(yōu)于EMCCD。CCD具有更高的量子效率和更低的整體噪聲因數(shù)(因?yàn)闆]有放大步驟，因此信號(hào)中的噪聲不會(huì)被放大)，因此當(dāng)樣品不受弱光限制時(shí)，CCD是更好的選擇。通過降低EMCCD的增益并緩慢讀取，傳感器可以在更亮的條件下模擬CCD的增益。

總結(jié)

EMCCD使用電子倍增來增強(qiáng)電子信號(hào)，使其高于讀取噪聲。這使得 EMCCD 成為弱光成像的理想選擇。電子倍增通過片上倍增益技術(shù)進(jìn)行。該技術(shù)利用二次電子級(jí)聯(lián)，其中沖擊電離過程由施加的電壓維持。

在進(jìn)行低光成像時(shí)，EMCCD的性能優(yōu)于CCD，因?yàn)樗粌H放大了高于讀取噪聲的檢測(cè)到的信號(hào)，而且不需要較長(zhǎng)的曝光時(shí)間來檢測(cè)信號(hào)，因此可以以更快的速度讀取。但是，如果光子信號(hào)不低，則CCD的性能優(yōu)于EMCCD，因?yàn)镃CD具有更高的整體QE和較低的整體噪聲因數(shù)。

審核編輯 黃宇