灵活的电子架构扩展了科学相机的实用性

图 1：两个独立的放大器针对高容量读出和高灵敏度读出进行了优化，扩展了 CCD 相机的实用性。

介绍

归根结底，科学相机的真正价值取决于其是否能够灵活地满足特定研究人员认为最有用的性能要求。近年来，随着许多学科不断发展，涵盖了更多不同的调查技术，关键要求也不断扩大。在寻找满足各种需求的科学相机时，必须确保寻找功能最丰富、性能比较高的解决方案。

本文介绍了 Teledyne Princeton Instruments 科学 CCD 相机灵活的电子结构如何扩展应用效用，以促进多个领域的研究。这些 CCD 相机的独特设计具有一对输出放大器，每个放大器都有自己的软件可选速度和增益设置，从而使研究人员能够根据各种 x 射线、成像和光谱应用定制性能。

双放大器设计

Teledyne Princeton Instruments 独有的双放大器配置提供了两个独立的放大器，其电子元件分别针对高容量读出和高灵敏度读出进行了优化(图 1)。高容量放大器通过增加满阱容量来提供更宽的动态范围，实际上允许 CCD 阵列的每个像素收集更多的光子。一般来说，高容量放大器用于涉及中能 X 射线或高水平入射光的应用。同时，高灵敏度放大器旨在提供尽可能低的读取噪声在给定的读出频率下。通常，高灵敏度放大器用于涉及低能X射线或低水平入射光的应用。

可选速度和增益

高容量和高灵敏度放大器均提供各自独立的、可通过软件选择的速度和增益设置，使研究人员能够微调相机性能。当入射光或能量足以快速获取图像而不会影响结果时，或者在聚焦模式下设置实验时，可以使用更快的读出速度来快速获取图像。较慢的读出速度可通过保留动态范围和提高信噪比 (SNR) 来提供高灵敏度。

请注意，信噪比是指信号相对于该信号中每个像素的不确定性的相对幅度。具体来说，它是该像素处测量信号与总测量噪声(帧到帧)的比率。准确计算 SNR 必须考虑CCD 相机中的三个主要噪声源：与光子通量相关的散粒噪声、热产生的暗噪声和上述读取噪声，以及几个额外的噪声源。高 SNR 在需要精确光测量的应用中尤为重要。

与可选读出速度一样，可选增益设置也为研究人员提供了调整相机性能的宝贵工具。增益定义与单个模拟/数字单元(e-/ADU) 相对应的电子数量。例如，增益为 4 表示相机将 CCD 信号数字化，以便每个 ADU 对应 4 个电子。在应用增益之前，CCD 检测到的每个光子都会根据光子的能量产生给定数量的电子。

软X射线应用

软 X 射线的光子能量约为 100 eV 至 1000 eV(12.4 nm 至 1.24 nm)。这些波长使研究人员能够利用高空间分辨率X 射线显微镜技术，该技术可在微米厚的样本中提供良好的穿透性，而无需电子显微镜所需的繁琐样品制备。软 X 射线还可以通过在碳和氧吸收边缘之间所谓的“水窗口”(284 eV 至 543 eV)中提供有机材料(例如蛋白质)和水之间的出色内在对比度来实现样本的元素分析。

在 250 eV 时，CCD 检测到的每个光子仅产生 68.5 个电子;在 100 eV 时，检测到的每个光子仅产生 27.4 个电子。因此，在使用软 X 射线时，应使用高灵敏度放大器。较慢的速度设置可以进一步提高灵敏度。此外，应使用高灵敏度放大器的增益设置来优化动态范围和 SNR，以实现所需的图像对比度。X 射线能量本身也可以调整以获得所需的对比度。

硬 X 射线应用

硬 X 射线的光子能量大于 1000 eV (1 keV)。在此范围内，一种越来越流行的 X 射线成像应用是相干 X 射线衍射成像，也称为无透镜 X 射线衍射成像。在这种技术中，CCD 相机用于检测粉红色 X 射线束照射非晶体样本时产生的连续衍射图案。相干 X 射线衍射成像的使用范围正在从软 X 射线范围(用于对生物样本进行成像)扩展到 5 keV 至 7 keV 范围(用于对纳米颗粒进行成像)。

另一个使用硬 X 射线的应用是X 射线光子相关光谱法(XPCS)。在这种技术中，样品中散射光的频率和强度波动(由温度和压力变化引起)在 8 keV 下成像。

即使在 1 keV 左右的中能 X 射线范围下限，CCD 检测到的每个光子也会产生 274 个电子。因此，由于不需要额外的灵敏度来提高信噪比，研究人员在处理硬 X 射线时应使用高容量放大器。由于灵敏度已经足够，信号充足，较慢的读出速度和较高的增益设置通常对这种能量范围没有太大帮助。

拉曼光谱

拉曼光谱是一种非常流行的研究固体、液体和气体的技术，它基于单色光的散射。激发光被样品吸收，然后重新发射;由此产生的“拉曼位移”提供了有关振动、旋转和其他分子模式的信息。由于这种光子匮乏的应用所采用的像素合并会增加噪声和信号，因此应使用高灵敏度放大器以及较慢的读出速度和中高增益来提高 SNR，同时保持宽动态范围。

结论

Teledyne Princeton Instruments 科学级 CCD 具有灵活的电子结构，提供两个不同的输出放大器，分别用于实现比较好的高容量和高灵敏度读出。可以使用每个放大器的软件可选速度和增益设置进一步优化相机性能。这种内置的多功能性使研究人员能够将单个科学相机用于更广泛的应用，而不会牺牲高性能。

审核编辑 黄宇