ICCD 和 emICCD 相机：基础知识

图 1：具有三个组件的增强器示意图：光电阴极(检测光子并转化为光电子)、微通道板(通过二次级联将光电子转化为电子云)和荧光屏(将电子云转换为光子)。然后，成倍增加的光子通过光纤束发送到CCD阵列。

ICCD传感器

增强型CCD(ICCD)相机将CCD传感器与增强器结合使用。由于增强器的电子倍增组件，它们是弱光或单光子应用的理想选择。它们也非常适合需要不到纳秒曝光时间的应用，例如激光诱导击穿光谱或荧光寿命成像显微镜，因为增强器能够快速关闭快门，同时仍将检测到的任何光子转换为光电子。

增压器由三个部分组成;光电阴极、微通道板 (MCP) 和沉积在光纤上的荧光屏(图 1)。光电阴极位于石英窗口后面，将入射光子转换为光电子。转化为光电子的光子数量由相机的量子效率和光的波长决定。

光子被光电阴极检测并转化为电子。然后，这些电子通过受控的电压增加加速到MCP。MCP 将每个光电子转化为一团电子，然后这些电子云通过荧光屏进入光纤。

光电子云由高压引发，该高压加速入射电子进入MCP内多个小通道的壁。这会导致一连串的二次电子发射，产生一团电子。由于此过程与MCP上的电压有关，因此由相机的增益决定。

MCP 产生的电子云撞击荧光光纤，任何电子都被吸收。然后，这些电子在光纤内转化为可见光，并被CCD检测。由于入射光电子在MCP内成倍增加，ICCD探测器具有高度灵敏度，具有单光子检测能力。

ICCD探测器具有超高的快门速度，这是由于增强器两端的电压受控。如果控制电压反转，则光电子加速朝向光电阴极而不是 MCP。这样可以防止任何光子通过增强器传播到CCD。此过程称为门控。

emICCD 传感器

emICCD 结合了 ICCD 和 EMCCD 技术的优势。由于 emICCD 能够通过两个独立的过程(增强器和电子倍增器)放大信号，因此它们能够同时应用两种增益机制。因此，实现了最大增益，从而实现了低光和单光子成像的高灵敏度。

这种增益组合还消除了ICCD中常见的非线性。ICCD的非线性是由于MCP通道的饱和而产生的。这可能会影响ICCD的动态范围，并可能改变定量测量。这种饱和度与高增益有关，因此必须使用低增益以获得更线性的响应。由于emICCD有两个利用增益的工艺，因此可以降低ICCD分量的增益，而增加EMCCD分量的增益，从而补偿MCP的任何放大损失。

由于 emICCD 传感器仍然集成了门控，因此它们能够高速运行，同时仍保持灵敏度、线性度和动态范围的提高。这使得它们成为捕获动态过程的理想选择。

总结

ICCD传感器能够通过增加增强器内产生的电子数量来倍增信号。通过级联过程，通过MCP的电子被转化为电子云，然后被荧光屏转换为可见光，并通过光纤传输到CCD。这允许低光信号检测和高灵敏度。

由于超高快门速度，ICCD传感器能够在亚纳秒曝光时间内成像。由于门控机构由增压器两端的电压控制，因此可以很容易地将其控制到高精度、短时间尺度。

ICCD技术的主要局限性是线性度。这是由于级联过程中MCP的饱和而引起的。如果通道内的二次电子以比它们可以维持的速度更快的速度耗尽，则线性度会降低。这是长时间使用高增益的副作用，但是这可以通过使用emICCD来解决。

emICCD 传感器结合了 ICCD 和 EMCCD 技术，提供双电子倍增过程。这可实现最大增益，提供高灵敏度、线性度和动态范围，非常适合需要单光子检测的应用。

审核编辑 黄宇