EMCCD：基础知识

图 1：EMCCD 传感器示意图。光子在图像捕获区域内被收集并转化为光电子，然后转移到存储区域。然后，这些电子在扩展乘法寄存器中被放大，从而在不增加任何读取噪声的情况下增加产生的信号。

EMCCD传感器

电子倍增 CCD (EMCCD) 是硅基 CCD 的一种变体，它使用电子倍增将电子信号大大提升到读取本底噪声之上，以最大限度地提高低光成像的灵敏度。光子在EMCCD传感器上的收集方式与CCD传感器类似，但是，添加EM增益寄存器允许在读出光电子之前放大光电子。这意味着信号高于读取噪声，读取噪声实际上低于一个电子。

由于这一光电子放大步骤，EMCCD相机能够实现单光子检测，在高帧速率下具有亚电子读取噪声。因此，EMCCD传感器的应用范围很广，从稳态天文成像到动态单分子追踪。

信号倍增过程

EMCCD传感器利用片上倍增益技术来增加光子产生的电子数。这个过程发生在电荷到达读出放大器之前，因此在施加读数噪声之前，信号会增加。

光电子通过增加的电压(高达50 V)沿着称为乘法寄存器的扩展串行寄存器加速。然后通过由施加电压维持的冲击电离过程产生二次光电子，如图 1 所示。乘法水平可以通过改变时钟电压来调整，电子增加和电压之间呈指数关系。将信号乘以高于输出放大器的读取噪声，可在高工作速度下实现超低光检测，EM增益为>1000倍。

例如：

• 60 电子–读取噪声，10 倍 EM 增益 = 6 e–读取噪声

• 60 电子–读取噪声，100 倍 EM 增益 = 0.6 e–读取噪声

• 60 电子–读取噪声，1000 倍 EM 增益 = 0.06 e–读取噪声

片上乘法增益是乘法寄存器上的像素数以及该像素上的电子产生次级电子的概率的函数。这可以通过以下关系来表示：G = (1+g)N

其中 G 是乘法增益，N 是乘法寄存器中的像素数，g 是产生二次电子的概率。该概率取决于电压电平和CCD温度，通常在0.01 – 0.016之间。虽然这个百分比很小，但它可以极大地改变生成的输出信号。

与CCD的比较

在低光照度成像期间，EMCCD的灵敏度高于CCD传感器。这是由于EM增益寄存器，它可以在不增加读取噪声的情况下放大检测到的信号。当对光子数量较少的样品进行成像时，CCD需要慢速扫描来检测信号。由于EMCCD具有EM增益，因此它们不需要长时间曝光即可检测任何信号，因此能够以更快的速率读取，从而比CCD快100倍。

然而，当对没有低光子信号的样品进行成像时，CCD的性能优于EMCCD。CCD具有更高的量子效率和更低的整体噪声因数(因为没有放大步骤，因此信号中的噪声不会被放大)，因此当样品不受弱光限制时，CCD是更好的选择。通过降低EMCCD的增益并缓慢读取，传感器可以在更亮的条件下模拟CCD的增益。

总结

EMCCD使用电子倍增来增强电子信号，使其高于读取噪声。这使得 EMCCD 成为弱光成像的理想选择。电子倍增通过片上倍增益技术进行。该技术利用二次电子级联，其中冲击电离过程由施加的电压维持。

在进行低光成像时，EMCCD的性能优于CCD，因为它不仅放大了高于读取噪声的检测到的信号，而且不需要较长的曝光时间来检测信号，因此可以以更快的速度读取。但是，如果光子信号不低，则CCD的性能优于EMCCD，因为CCD具有更高的整体QE和较低的整体噪声因数。

审核编辑 黄宇