圖 1：EMCCD 傳感器示意圖。光子在圖像捕獲區域內被收集并轉化為光電子，然后轉移到存儲區域。然后，這些電子在擴展乘法寄存器中被放大，從而在不增加任何讀取噪聲的情況下增加產生的信號。

EMCCD傳感器

電子倍增 CCD (EMCCD) 是硅基 CCD 的一種變體，它使用電子倍增將電子信號大大提升到讀取本底噪聲之上，以最大限度地提高低光成像的靈敏度。光子在EMCCD傳感器上的收集方式與CCD傳感器類似，但是，添加EM增益寄存器允許在讀出光電子之前放大光電子。這意味著信號高于讀取噪聲，讀取噪聲實際上低于一個電子。

由于這一光電子放大步驟，EMCCD相機能夠實現單光子檢測，在高幀速率下具有亞電子讀取噪聲。因此，EMCCD傳感器的應用范圍很廣，從穩態天文成像到動態單分子追蹤。

信號倍增過程

EMCCD傳感器利用片上倍增益技術來增加光子產生的電子數。這個過程發生在電荷到達讀出放大器之前，因此在施加讀數噪聲之前，信號會增加。

光電子通過增加的電壓(高達50 V)沿著稱為乘法寄存器的擴展串行寄存器加速。然后通過由施加電壓維持的沖擊電離過程產生二次光電子，如圖 1 所示。乘法水平可以通過改變時鐘電壓來調整，電子增加和電壓之間呈指數關系。將信號乘以高于輸出放大器的讀取噪聲，可在高工作速度下實現超低光檢測，EM增益為>1000倍。

例如：

? 60 電子–讀取噪聲，10 倍 EM 增益 = 6 e–讀取噪聲

? 60 電子–讀取噪聲，100 倍 EM 增益 = 0.6 e–讀取噪聲

? 60 電子–讀取噪聲，1000 倍 EM 增益 = 0.06 e–讀取噪聲

片上乘法增益是乘法寄存器上的像素數以及該像素上的電子產生次級電子的概率的函數。這可以通過以下關系來表示：G = (1+g)N

其中 G 是乘法增益，N 是乘法寄存器中的像素數，g 是產生二次電子的概率。該概率取決于電壓電平和CCD溫度，通常在0.01 – 0.016之間。雖然這個百分比很小，但它可以極大地改變生成的輸出信號。

與CCD的比較

在低光照度成像期間，EMCCD的靈敏度高于CCD傳感器。這是由于EM增益寄存器，它可以在不增加讀取噪聲的情況下放大檢測到的信號。當對光子數量較少的樣品進行成像時，CCD需要慢速掃描來檢測信號。由于EMCCD具有EM增益，因此它們不需要長時間曝光即可檢測任何信號，因此能夠以更快的速率讀取，從而比CCD快100倍。

然而，當對沒有低光子信號的樣品進行成像時，CCD的性能優于EMCCD。CCD具有更高的量子效率和更低的整體噪聲因數(因為沒有放大步驟，因此信號中的噪聲不會被放大)，因此當樣品不受弱光限制時，CCD是更好的選擇。通過降低EMCCD的增益并緩慢讀取，傳感器可以在更亮的條件下模擬CCD的增益。

總結

EMCCD使用電子倍增來增強電子信號，使其高于讀取噪聲。這使得 EMCCD 成為弱光成像的理想選擇。電子倍增通過片上倍增益技術進行。該技術利用二次電子級聯，其中沖擊電離過程由施加的電壓維持。

在進行低光成像時，EMCCD的性能優于CCD，因為它不僅放大了高于讀取噪聲的檢測到的信號，而且不需要較長的曝光時間來檢測信號，因此可以以更快的速度讀取。但是，如果光子信號不低，則CCD的性能優于EMCCD，因為CCD具有更高的整體QE和較低的整體噪聲因數。

審核編輯 黃宇