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EMCCD的增益解析

  EMCCD（Electron Multiplying CCD），即電子倍增CCD，通常用來探測一些經常被淹沒在噪聲里的微弱信號，雖然傳統的CCD也可以探測這些信號，但是通常需要較長的曝光時間（整合可探測的信號）和緩慢的讀出速率（降低噪聲），而EMCCD通過電子倍增的方式，可以用更短的曝光時間以及更高的讀出速率完成同樣的工作

        EMCCD與普通CCD的區別，在于普通CCD的讀出寄存器后面增加一個增益寄存器，從而將電子信號放大，其中的原理就是利用電子在轉移過程中產生的“撞擊離子化”效應，從而產生新的電子。具體原理如下圖所示：

 

由上圖可知，EMCCD的工作過程分為5個步驟：

1. 在積分周期內，成像區將光子轉化成電荷；

2. 成像區電荷轉移到存儲區；

3. 存儲區電荷轉移到讀出寄存器；

4. 讀出寄存器電荷轉移到增益寄存器，并在其中進行電子倍增；

5. 倍增后的電荷通過讀出放大器轉換成電壓輸出。

        在第4步中，對增益寄存器施加高電壓（一般為40-50V），在電子通過時由于碰撞電離效應產生新的電子，這樣，經過多次累加，實現信號電子的倍增。雖然每次倍增率g都非常小（一般g在0.001至0.016），但是經過n次增益寄存器的轉移（一般在500至600次），總增益G=（1+g）ⁿ會非常可觀。例如：n=577，g=0.008，則G=（1+0.008）⁵⁷⁷≈99；而如果倍增率g稍微增加，比如g=0.016，那么G=（1+0.016）⁵⁷⁷≈9500，由此可以看出，總增益取決于倍增次數n和每次的倍增率g，并且總增益值只是一個經驗值而非一個確切的數字。

        由于信號電子在增益寄存器中通過“撞擊離子化”效應產生新的電子，隨著使用時間的增加，半導體材料會不斷的減少，為了維持較高的增益G不變，增益寄存器上的偏置電壓需要不斷增加，然而電壓不可能無限制上升，因為它受到氧化層擊穿條件的限制。這種情況下，英國Raptor公司新推出的EMCCD相機可以通過控制軟件命令調整12位（0-4095）的時鐘電壓振幅模數轉換器控制電子倍增寄存器產生的特定的高增益，也可以通過降低探測器的溫度增加信號電子在增益寄存器中的增益倍率，從而在增益寄存器施加低電壓的情況下得到一個較高的總增益，并且大大提高了探測器的壽命。

        綜上所述：總增益G與CCD的探測靈敏度密切相關，選用準確的G值對于CCD性能有重要的影響。G值過低，不能有效的消除系統的讀出噪聲；G值過高，減弱可探測的峰值，對小信號有不必要的靈敏度，并且會加速傳感器的老化速度。所以，選擇一個合適的G值是非常重要的。

  英國RAPTOR公司是一家研發、生產高品質EMCCD相機的專業廠家，其產品在天文、科研等領域得到了廣泛的應用。

  西安立鼎光電是RAPTOR公司中國區的戰略合作伙伴，負責該公司產品在中國的技術支持和產品推廣。

 

EMCCD Falcon Ⅲ

產品特點

◆波長范圍 200-1100nm

◆分辨率 1024x1024

◆像元尺寸 10µm x10µm

◆EM增益 x5000

◆讀出噪聲 <1e-

◆幀速 31Hz

◆背照芯片QE＞95%

◆深度制冷 -70°C

EMCCD Hawk 252

產品特點

◆波長范圍 300-1100nm

◆分辨率 1280x1024

◆像元尺寸 8µmx8µm

◆QE: >95% @600nm

◆動態范圍 55dB

◆幀速 25/30Hz

應用領域

●自適應光學及天文

●鈣信號

●熒光成像 / 光譜

●高分辨率熒光成像

●高光譜成像

●活細胞成像

●光子計數

●單分子探測