奧林巴斯顯微鏡成像，什么是EMCCDs？

在光學(xué)顯微鏡的數(shù)字成像科學(xué)電荷耦合器件（CCD）傳感器的固有優(yōu)勢，它們無處不在各種各樣的應(yīng)用。 傳統(tǒng)高性能CCD相機(jī)的幾個顯著的缺點(diǎn)之一是，非常低的信號電平通常落在下方的傳感器的讀出噪聲本底，在數(shù)量限制的成像能力，目前生產(chǎn)的研究領(lǐng)域要求快速幀速率捕獲極低的光照水平。 CCD讀出噪聲低光級以上的信號放大采用電子倍增 CCD技術(shù)的一種創(chuàng)新的方法。 在全固態(tài)傳感器，通過將芯片上的的乘法增益（參見圖1），EMCCD達(dá)到單光子探測靈敏度典型的強(qiáng)化或電子轟擊CCD的低得多的成本，而不會影響的量子效率和傳統(tǒng)的CCD的結(jié)構(gòu)的分辨率特性。

區(qū)分這本小說的新技術(shù)的主要特點(diǎn)是加入一個專門的擴(kuò)展串行寄存器CCD芯片上，通過在硅的過程中碰撞電離，產(chǎn)生倍增增益。 通過提高設(shè)備的讀出噪聲，即使在高幀速率的光子產(chǎn)生的電荷，EMCCD滿足*低光成像應(yīng)用的需要的能力，而無需使用外部圖像增強(qiáng)器。 因此，該方法適用于任何當(dāng)前CCD傳感器硬件架構(gòu)，包括背照式設(shè)備，并且采用電子倍增寄存器的傳感器是相當(dāng)少的制造成本昂貴，由于被直接結(jié)合到CCD結(jié)構(gòu)的信號放大級。

目前的研究重點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的幾個主要領(lǐng)域依賴于特定的靶向亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或適當(dāng)熒光單分子為了遵循生物過程的動態(tài)。 結(jié)合極其小的的標(biāo)本體積和低熒光濃度在此類實(shí)驗(yàn)中使用的快速動力學(xué)要求高靈敏度和快速的幀速率的數(shù)據(jù)采集。 評價瞬變信號，低強(qiáng)度信號，如單分子調(diào)查，鈣離子或其它離子的通量測定，時間分辨三維顯微鏡（2,4-D技術(shù)）中所遇到的，電子倍增CCD提供顯著的優(yōu)勢*過設(shè)計(jì)的低信號電平的其他傳感器。 此外，當(dāng)與傳統(tǒng)的熒光成像技術(shù)的較高的信號電平，EMCCD系統(tǒng)的極端敏感性，允許使用較低的熒光基團(tuán)的濃度和/或降低來自激勵源的功率電平，從而減少潛在毒性的活細(xì)胞，和光漂白的熒光探針。

基于CCD探測器的性能已得到顯著改善，近年來，和更高的靈敏度顯著降低了高性能，低光成像系統(tǒng)的檢測限。 量子效率*過了90％，讀出噪聲被限制為小于2電子（方均根）在某些背照式CCD攝像機(jī)。 這個級別的讀出噪聲性能是可以實(shí)現(xiàn)的，只有在適度的讀出速率，但是傳統(tǒng)的CCD傳感器。 當(dāng)執(zhí)行成像時在視頻幀速率和更快的讀出噪聲增加至不可接受的程度，相對于信號的，在低光照條件下。

一個行之有效的解決方案需要更高的幀速率時的讀出噪聲限制歷來聘請數(shù)乘以標(biāo)本光子發(fā)射前檢測和讀出由傳統(tǒng)的CCD圖像增強(qiáng)。 在這種方法中，這是基于類似的光電倍增管的動作原理，信號被放大到所需的幀速率讀出產(chǎn)生的噪聲電平*過。 增強(qiáng)型CCD（ICCD）相機(jī)系統(tǒng)是目前*常用的成像方法的低光技術(shù)，如時間分辨熒光實(shí)驗(yàn)，比成像離子敏感的熒光染料，在活細(xì)胞單分子熒光和其他動態(tài)研究。 這些系統(tǒng)有時也被稱為作為接近中心的影像增強(qiáng)器 ，利用緊密耦合的微通道板（MCP）電子倍增器的光電陰極。

從MCP輸出的放大后的電子被加速到熒光屏的電子轉(zhuǎn)換成光子，而其后在CCD表面的光學(xué)的中繼透鏡或光纖耦合直接通過中繼由一個高的電勢差。 由于從2500-5000伏的電位差保持跨分離組件的ICCD的間隙來加速電子，高的內(nèi)部真空是必要的，在規(guī)定的移動設(shè)備以精確地裝配和完全無污染物。 因此，制造成本比較高，目前的增壓器，以及若干其他缺點(diǎn)，其中降低空間分辨率相比，相當(dāng)于常規(guī)（非強(qiáng)化）的CCD，高背景噪聲，相對較低的量子效率（圖2），和易感性從暴露在高光水平不可逆的損壞。 ICCD的分辨率*終是由光電陰極，微通道板的輸出熒光體的分辨率的限制。

電子轟擊的CCD的（EBCCD）是一個廣泛使用的檢測器的變化為低照度攝像機(jī)系統(tǒng)，相似加劇的CCD，采用的光電陰極的光子到電子的轉(zhuǎn)換，然后在一個高電壓梯度由加速度。 高能電子撞擊直接在薄型背照式CCD，在那里他們生成多個電荷，導(dǎo)致適度的信號增益。 該設(shè)備可以工作在視頻的幀速率，但有限的增益調(diào)整范圍，并表現(xiàn)出類似的缺點(diǎn)，包括增強(qiáng)型CCD量子效率降低和分辨率，和潛在的外在形象，加強(qiáng)元件損壞，如果暴露在高光水平。 該電子倍增CCD芯片上的乘法增益用人的發(fā)展提供了基礎(chǔ)的攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)信號的增益，使用外部的增強(qiáng)的系統(tǒng)的好處，同時保持習(xí)慣的CCD優(yōu)點(diǎn)高，頻譜寬的量子效率（圖2），完全原生像素的分辨率，以及高光級別損壞的免疫力。

片上倍增增益

通過集成于每個像素的信號讀出之前，為了克服噪音，這是對每一幀僅產(chǎn)生一次讀的過程中，傳統(tǒng)的冷卻CCD攝像機(jī)可以達(dá)到比較高的靈敏度。 在低光照水平，需要長時間曝光，以積累足夠的信號，實(shí)現(xiàn)探測器的*大讀取噪聲性能。 因此，*大幀速率限制為每秒幾幀的幀的一個相對緩慢的部分。 合適的“慢掃描”的信號采集，探測器可以工作在光子散粒噪聲限制制度在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的背照式CCD系統(tǒng)提供**的整體性能，包括*大的量子效率（如在圖2中示出，其中需要考慮噪聲因素與電子倍增）。 然而，當(dāng)它是需要捕獲時間的數(shù)據(jù)，需要視頻幀速率或更快，在非常低的光照水平，傳統(tǒng)的CCD攝像機(jī)是從根本上限制讀出噪聲。

的電子倍增CCD采用了結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)所捕獲的信號放大之前的電荷轉(zhuǎn)移到芯片上的放大器，該放大器的讀出噪聲和信號的關(guān)系，由乘法增益系數(shù)的值減少的效果。 非常弱的檢體的信號電平，因?yàn)榭赡軙a(chǎn)生電荷包從一個單一的像素，只有極少數(shù)的電子，即使從一個高性能的CCD讀出緩慢，在讀出噪聲信號丟失。 EMCCD的主要優(yōu)點(diǎn)是提供一種機(jī)制，以改善低于CCD讀底噪聲的信號電平的信號 - 噪聲比。 在實(shí)際應(yīng)用中，需要極快的門控（納秒級），EMCCD是不恰當(dāng)?shù)模壹觿〉腃CD保持優(yōu)勢，在這種類型的快速動力學(xué)數(shù)據(jù)收集。

電子倍增CCD傳感器是利用傳統(tǒng)的CCD制造技術(shù)相對簡單的結(jié)構(gòu)修改。 EMCCD的一個**的特點(diǎn)是一個移位寄存器和輸出放大器，簡稱為倍增寄存器或增益寄存器的末尾之間的電子倍增結(jié)構(gòu)。 這種特殊的擴(kuò)展串行寄存器提供在器件的有源像素陣列的光子檢測后的乘法增益，因此，該技術(shù)可以適應(yīng)任何電流的CCD的結(jié)構(gòu)和格式。 *廣泛使用的傳感器所產(chǎn)生的兩個公司率先技術(shù)采用幀傳輸體系結(jié)構(gòu)中，相機(jī)廠商也推出了背照式電子倍增CCD的版本的基礎(chǔ)上的系統(tǒng)。

圖3中示出，其中的增益寄存器被添加到的幀傳輸?shù)男酒娣e，和傳統(tǒng)的串行寄存器的電荷轉(zhuǎn)移路徑，前片上的功能布局的幀傳輸式電子倍增CCD電荷 - 電壓轉(zhuǎn)換電路。 額外的寄存器的結(jié)構(gòu)的不同的定時的移位寄存器中，電子被加速的各個元素之間的應(yīng)用在一些傳輸電極的電壓高得多的時鐘倍增寄存器。 通過施加高于正常電壓，當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的二次電子碰撞電離的過程中，在硅。 在增益乘以寄存器，每個階段包括四個門，其中三個是主頻為常規(guī)的3相結(jié)構(gòu)，與第四（階段1和2之間）被關(guān)押在一個較低的固定的直流（DC）的潛力。

圖4示出了通過柵極的電荷轉(zhuǎn)移。 請注意，時鐘階段1和3（R1和R3）的柵極驅(qū)動脈沖正常的潛力，這通常是在5至15伏的順序（注意，R1柵極零電位為圖4中所示的定時相）。 可以采用這些門中使用的相同的階段經(jīng)常讀出寄存器的時鐘脈沖。 第2階段（圖3中的R2）的時鐘頻率為較高的電壓（35-50伏）之前，保持在一個低的DC電平（表示在圖4中由低DC柵極）的柵極。 固定電平的柵極和高電壓柵極時鐘結(jié)果在足夠的電場強(qiáng)度，以維持碰撞電離過程中作為電子從階段1到階段2，在正常的定時序列之間的電位差。 雖然僅在1.01至1.016的順序每次傳輸?shù)碾姾杀对?，倍增寄存器中的像素（水平像素陣列的大小依賴于）大量積累的增益是實(shí)質(zhì)性的，并且可以是幾百或幾千。 乘法增益指數(shù)是正比于所施加的高階段2電壓，并通過不同的時鐘電壓，可以增加或減少。

圖5（a）示出的增益的指數(shù)增加，伴隨著增加的幅度定時施加電壓的第2階段的電極。 很明顯，相對較小的調(diào)整的電壓*過一定值時，在芯片上的乘法增益大的變化的結(jié)果。 在EMCCD相機(jī)系統(tǒng)，該電壓的調(diào)整，通常映射到一個高分辨率的數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器，它可以精確地控制通過計(jì)算機(jī)軟件。 盡管非常低的概率發(fā)生碰撞電離和低平均每級增益，整體增益因子的乘法寄存器中可以很容易地*過1000倍，由于大量像素的電子的電荷包生長在級聯(lián)時尚。 產(chǎn)生二次電子的概率是依賴于在串行時鐘的電壓水平和CCD溫度，如上文所述，典型的范圍為1?1.6％。 雖然是由一個復(fù)雜的函數(shù)，所述的二次電子的產(chǎn)生的概率（M）的級聯(lián)倍增寄存器中的元素的總增益由以下：

其中g是的概率產(chǎn)生的二次電子和 N是倍增寄存器中的像素的數(shù)目。 的CCD具有512個元素在增益寄存器和沖擊電離幾率為1.3％（0.013），因此，會產(chǎn)生一個電荷倍增總收益*過744。

由于時鐘電壓增益的乘法（指數(shù)）的關(guān)系，可調(diào)節(jié)范圍寬，允許設(shè)置增益以足夠高的水平，有效地降低到微不足道的水平，在大多數(shù)成像條件下，讀出噪聲。 由于乘法增益設(shè)置增益的水平相當(dāng)于電子讀出噪聲，利用讀出頻率，獨(dú)立的讀出速度，產(chǎn)生一個有效的電子均方根噪聲。 *出此范圍，增加收益減少噪音電子水平。值得注意的是，通過利用更高的增益設(shè)置在更高的幀速率，這種噪聲性能可以在任何速度下實(shí)現(xiàn)的。 作為一個例子，一個電流的高性能的背照式電子倍增CCD，具有讀出噪聲規(guī)格60電子rms的頻率是10兆赫茲，可以實(shí)現(xiàn)與任何片上的的乘法增益值大于或等于60的一個子電子的有效噪聲電平。

額外的噪聲和性能變量

幾個額外的因素是電子倍增CCD芯片，其中芯片上的增益和動態(tài)范圍，其他的增益相關(guān)的噪聲源，量子效率的評價，和注意事項(xiàng)的圖像傳感器的冷卻要求之間的關(guān)系的性能方面具有重要意義。 碰撞電離過程中，在專門的串行寄存器的電子轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生的電荷增益的效率依賴于溫度成反比。 產(chǎn)生的二次電子的概率隨著溫度下降，因而一個精心設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)配備的相機(jī)是能夠在較低的時鐘電壓的設(shè)定值，以實(shí)現(xiàn)更高的增益值。

冷卻的*佳水平取決于相機(jī)上的系統(tǒng)和應(yīng)用程序，但倍增增益隨溫度的變化示出，以避免將噪聲添加到所測量的信號保持精確的溫度穩(wěn)定性的重要性。 所產(chǎn)生的熱在電子倍增CCD的暗電流產(chǎn)生的暗噪聲是相同的，在常規(guī)的CCD，并同樣減少了冷卻的傳感器。 與傳統(tǒng)的高性能檢測器，該傳感器通常是冷卻到一個溫度，在該溫度下，在預(yù)期的積分（曝光）的時間間隔是可以忽略不計(jì)的暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲。 一旦暗噪聲遠(yuǎn)低于噪聲與信號讀出，進(jìn)一步冷卻不提供任何額外的實(shí)際利益。

電子倍增CCD攝像機(jī)芯片上的乘法運(yùn)算時，利用讀出的噪聲電平的信號，提升，能夠檢測甚至單光子事件，必須認(rèn)識到，任何未抑制暗電流的電平是顯著的，因?yàn)樗鞘芤黄鹣喑说男盘枴?/span> 因此，在理想的情況下，暗電流應(yīng)完全消除在EMCCD，一些相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以減少CCD溫度為攝氏-75度或更低的冷卻系統(tǒng)被并入。

需要注意的是不同的噪聲分量增強(qiáng)型CCD系統(tǒng)有關(guān)。 當(dāng)信號被放大上述兩個暗電流和讀出噪聲在ICCD，使更多的冷卻不太有利的，增強(qiáng)光電陰極中產(chǎn)生的噪聲的另一個來源，簡稱為等效背景照度（EBI），發(fā)生在加強(qiáng)系統(tǒng)。 電子倍增CCD并沒有表現(xiàn)出EBI，總體而言，暗電流是一個不太顯著的限制，有效的散熱增強(qiáng)型CCD相機(jī)比EBI是EMCCD。 雖然增加冷卻可以降低EBI的光陰，更復(fù)雜的多組分結(jié)構(gòu)加劇的CCD，通常包括光纖接頭有效的冷卻系統(tǒng)，更實(shí)用。

由于碰撞電離過程中利用在EMCCD的概率性質(zhì)，統(tǒng)計(jì)的變化發(fā)生在芯片上的乘法增益。 產(chǎn)生的增益的不確定性引入了一個額外的系統(tǒng)噪聲分量作為過量噪聲系數(shù) （或簡稱為噪聲系數(shù) ），作為黑暗和在攝像系統(tǒng)中的光子產(chǎn)生的信號倍乘因子，這是定量評價。 多余的噪音因素為不同的低信號的檢測器類型而異，應(yīng)占的損失機(jī)制的組合（如果存在的話）的統(tǒng)計(jì)學(xué)偏差的電子倍增過程中所產(chǎn)生無論是在硅晶體的晶格中的EMCCD或微通道板ICCD。

傳統(tǒng)的CCD，沒有任何重大損失機(jī)制或額外的噪聲放大過程的統(tǒng)一，具有噪聲系數(shù)一樣EMCCD利用正常的的時鐘電壓和不產(chǎn)生倍增增益。 隨著越來越多的增益設(shè)置，統(tǒng)計(jì)變化開始添加額外的噪聲，其幅度取決于信號電平的增益和。 根據(jù)理論的電子倍增過程中，多余的噪聲系數(shù)是約1.4的增益電平在很寬的范圍內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)測量通常較低，倍增增益系數(shù)在1.0和1.4之間的范圍可達(dá)1000倍。 值1.3是一種常見的說法的平均為EMCCDs，在噪聲因素加劇的CCD，采用第二代和第三代拍攝和無膠片光陰的1.6至2相比。 攝制的圖像增強(qiáng)器一般具有較高的噪聲因素，因?yàn)殡娮拥碾娪笆┘拥念~外損失機(jī)制。

一個EMCCD噪聲現(xiàn)象存在，并沒有等效加劇的CCD，被稱為雜散電荷或時鐘感生電荷（CIC）。 當(dāng)電子被轉(zhuǎn)移的定時脈沖的影響下，通過倍增寄存器，時鐘波形的急劇屈折變化產(chǎn)生碰撞電離，在一小部分的轉(zhuǎn)移，甚至與正常時鐘電壓。 此外，時鐘脈沖可能會產(chǎn)生二次電子，即使在沒有一次電子轉(zhuǎn)讓本。 時鐘波形的幅度和邊緣通過仔細(xì)操縱，制造商可以*大限度地減少CIC，這通常是估計(jì)在約100傳輸產(chǎn)生只有一個電子。 即使是在高性能，低噪聲常規(guī)的CCD，完全失去了時鐘感生電荷讀出噪聲，但是EMCCD在高增益設(shè)置，產(chǎn)生額外的CIC，一般被視為額外部分的暗相關(guān)的信號。

時鐘感應(yīng)電荷是獨(dú)立的曝光時間，但是，因?yàn)樗怯捎谂鲎搽婋x，它通常被認(rèn)為是隨著溫度的降低而增加，正如電子倍增一樣。 當(dāng)EMCCDs用在高增益，單電子事件記錄圖像中的尖峰，從CIC任何貢獻(xiàn)似乎是可見的。 EMCCD在典型的操作條件下，背景事件，從而導(dǎo)致這樣的尖峰，而不是讀出噪聲，確定相機(jī)的檢測極限。 近期暗的圖像由一個制造商在各種冷卻溫度下進(jìn)行的測試表明CIC貢獻(xiàn)，無論是暗電流，它不會出現(xiàn)設(shè)置一個冷卻限制，低至-95攝氏度的溫度降低。 在這些測試中，出現(xiàn)上面的讀出噪聲背景尖峰暗電流，并顯著減少，溫度降低。

的電子倍增CCD的信號-噪聲比（SNR）的評價需要在計(jì)算中應(yīng)用的CCD傳感器的常規(guī)表達(dá)式進(jìn)行修改以反映芯片上的乘法增益和過量的噪聲系數(shù)的效果。 有效SNR是相當(dāng)于從所有來源的組合噪聲除以積分區(qū)間期間檢測每個像素的光子的總數(shù)，如下所示：

其中，F(xiàn)表示多余的噪聲系數(shù)，D是總的暗信號，N（r）是相機(jī)的讀出噪聲，且M是芯片上的乘法增益。 在分母中的噪音條款表示熟悉的CCD噪聲成分，光子散粒噪聲，暗噪聲，讀出噪聲，分別用適當(dāng)?shù)男薷目紤]到具體的過程中，芯片上的乘法增益損耗機(jī)制和統(tǒng)計(jì)噪聲源。 這是通過將多余的噪聲因數(shù)（F）的前兩個條件，相乘的增益因子（M），以讀出的噪聲項(xiàng)。 有效射門噪聲和暗噪聲增加多余的噪聲系數(shù)，同時實(shí)現(xiàn)倍增增益增益寄存器讀出噪聲降低了。

的固態(tài)芯片上的電子倍增的電子倍增CCD給出了一些加強(qiáng)的CCD芯片，其中保存的空間分辨率的CCD，量子效率和**的性能，由于不被約束的增強(qiáng)熒光體的局限性決定的優(yōu)勢。 在比較不同類型的檢測器的量子效率，所有損失機(jī)制和統(tǒng)計(jì)噪聲源的效果必須加以考慮。 在得到的有效量子效率，電子倍增CCD的，尤其是背照式的版本而言，表現(xiàn)出更廣泛和更高的量子效率比任何其他低光檢測器的值。

正如前面所討論的，可以采用電子倍增增益可以克服任何讀出噪聲，盡管它是可取的，以盡量減少這一因素，因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬?，在傳感器的動態(tài)范圍（圖5（b）中示出）的限制，增加增益的結(jié)果。 雖然的照相機(jī)系統(tǒng)的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的位深度確定*大動態(tài)范圍，在*出所需克服的讀出噪聲的增益電平，動態(tài)范圍將降低，因?yàn)橄喑撕蟮男盘?過像素的全阱容量和/或放大器的輸出能力。 通過采取具體的設(shè)計(jì)步驟，以*大限度地提高全井深和放大器吞吐量，中等增益和高幀速率，能夠提供高比特深度成像相機(jī)制造商。 因?yàn)檫@需要進(jìn)行優(yōu)化，以較高的速度讀出放大器讀出噪聲規(guī)范必然增加。 用人的EMCCD乘法增益克服增加讀出噪聲，但遭受了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，限制使用相機(jī)經(jīng)得起慢讀出明亮的信號。 保持充分的動態(tài)范圍，一些電子倍增攝像系統(tǒng)配備雙放大器（參見圖6），慢掃描的寬動態(tài)范圍的應(yīng)用，如明場或熒光成像，包括常規(guī)的單元，以及一個高速放大器高靈敏度的操作，需要使用的芯片上的增益。 這樣的組合提供了一個攝像系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的CCD分辨率高，量子效率高，可實(shí)現(xiàn)的具有*高的靈敏度和寬動態(tài)范圍的優(yōu)點(diǎn)。