EMCCD

Posted 2020-11-25 ybqjymy

　　EMCCD 即电子倍增CCD，是探测领域内灵敏度极高的一种高端光电探测产品。

在光子探测领域的应用发展对探测器灵敏度的要求不断提高，EMCCD (Electron-Multiplying CCD)技术对愈发严苛的需求作出了答复。

应用领域

　　在诸如单光子探测、多维（4或5维度）活细胞显微观察、钙离子流显微观测等对极微弱的细胞产生的荧光进行快速动态成像的应用领域中，EMCCD技术提供了强大而经济的解决方案，它极高的灵敏度意味着更低的激发能量（这样可降低漂白效应）、更低的染料浓度以及更高的帧频，生命科学领域的工作者应该知道这对于他们的研究意味着什么。　　

即使在低扫描速率下，荧光信号的强度水平仍可能微弱到与读出噪声相当甚至更低而无法被检测出来，EMCCD的增益可显著地改善这种极微弱信号的信噪比，由此在大吞吐量的分析研究中可实现更快的采样和更短的曝光时间。

　　同样地，在某些物理研究领域如玻色-爱因斯坦凝聚、天文观测（包括自适应光学）以及中子星X射线观测等，都可以从这项新的探测手段中获益。

 

增益

　　EMCCD技术，有时也被称作“片上增益”技术，是一种全新的微弱光信号增强探测技术，由Andor Technology Ltd. 首先应用于他们在2001年发布的iXon系列高端超高灵敏相机上，有用于成像的iXon系列和光谱领域的Newton型。它与普通的科学级CCD探测器的主要区别在于其读出（转移）寄存器后又接续有一串“增益寄存器”（见图1），它的电极结构不同于转移寄存器，信号电荷在这里得到增益。

　　在增益寄存器中，与转移寄存器不同的是其中的一个电极被两个电极取代，其中电极1被加以适当的电压而电极2提供时钟脉冲，但该电压比仅仅转移电荷所需要高很多（约40~60V）。在电极1与电极2间产生的电场其强度足以使电子在转移过程中产生“撞击离子化”效应，产生了新的电子，即所谓的倍增或者说是增益；每次转移的倍增倍率非常小，最多大约只有×1.01~×1.015倍，但是当如此过程重复相当多次（如陆续经过几千个增益寄存器的转移），信号就会实现可观的增益—可达1000倍以上。

　　EMCCD唯一无法取代ICCD之处是它无法实现门控，以及纳秒级门宽带来的高时间分辨率，使ICCD在对高时间分辨的动态测量领域仍是最有效的手段。

还有值得指出的一点是对于光子水平的极微弱信号探测，在所有造成信号衰减的环节上都要采取尽可能的措施来把信号损失减到最低，比如，如果探测器的入射通道只有一层入射窗，其窗口反射造成的光子损失必然比多层窗要少（见图5）；但要注意的是，这必须以高真空密封性为前提，因为一般CCD芯片为防止水汽凝结及其它气体成分对其表面的损害，都覆有一层保护窗，如果不能保证高品质的真空密封，探测器制造商是不敢拿掉这层保护窗的，所以一般的探头都至少有2层窗，只有极少数制造商凭借其过硬的真空密封制造工艺将这层窗去掉而真正实现了单窗。

　　由此我们可见，探头的真空密封性对任何一款科学级探测器尤其是EMCCD的性能品质起着多么至关重要甚至可以说是决定性的影响。

 

特殊设计

 

双重放大器

　　由于动态范围有限，低照度成像设计的一个制约是不能用固定帧频既采集强信号又采集弱信号。为了保持较宽的动态范围，倍增增益可采用双重放大器设计，一个为传统放大器，其输出可拓展输出动态范围的上限，另一个为经过倍增增益的放大器，可提高探测灵敏度，二者结合使用CCD能够用于宽的动态范围照度场。

　　EMCCD的不足是与读出放大器相关的倍增寄存器通常设计在较高的工作效率，导致较大的读出噪声。尽管倍增增益可以克服增加的读出噪声，但影响系统的成像动态范围，因此双重放大器对EMCCD是一种有效的补偿措施。

 

背照式

　　EMCCD也可采用背照式结构，把高达90%的量子效率与电荷倍增向结合，提高灵敏度，从而提供高帧速率情况下最好的低照度响应。背照式EMCCD也可配置双重放大器。

 

致冷的影响

　　温度对片上倍增增益的影响明显。温度越低，由依次电子产生的二次电子越多，则片上倍增增益越高。研究表明把探测器制冷到-30摄氏度或更低时，片上增益可以超过1000倍。EMCCD良好的性能取决于CCD温度的最佳选择以及温度随环境波动的控制。

　　CCD制冷可提高器件的倍增增益，减小器件像素暗电流的产生，但也会增加赝电荷的出现。赝电荷是指电子进入倍增寄存器像素时，时钟波形成产生明显失真而导致凭空产生的二次电子。赝电荷随着温度降低有轻微的增加。EMCCD总的暗信号等于赝电荷加上暗电荷。