EMCCD 基本原理介绍

衡量一个CCD器件性能的标准 输出信号的质量 输出信号的速度

如何提高图像质量 最重要的参数：提高信噪比（SNR） 提高有效信号 减少系统躁声

如何提高有效信号 减少光子入射路径上的损失 增加芯片对光子的接收效率 增加芯片对光子的接收时间

如何提高有效信号 抗反射玻璃 真空密封环境 100%面积感光的芯片 背照式芯片结构，提高接收效率 长时间积分处理

如何减少系统噪声 S0 光子入射噪声 结构相关 系统噪声 S d 暗电流 温度相关 CIC 时钟噪声 结构相关 Na 读出噪声 速度相关

如何减少系统噪声 最优化入射路径 S0 光子入射噪声 S d 暗电流 制冷 CIC 时钟噪声 改造电路结构 Na 读出噪声 降低读出速度

理论上 拍摄 静止 的 弱光 物体 使用 长时间积分 可以得到满意的结果 原因是 长时间积分模式 可以 延长光子接收时间 同时 数据输出速度很慢

有时，某些条件会受到限制 比如， 高速运动拍摄；同时弱光条件 既要增加信号强度，又要保证SNR很好，一般就需要 长时间积分模式 但不允许高速度拍摄 似乎 图像质量 与 输出速度 无法两全

我们如何解决这些问题 只能改变CCD芯片构造 从电荷形成、转移的内部过程入手

改造的思路是什么 在信号读出之前，有规则地产生新电子 从而提高有效信号值 即 无中生有

改造的物理原理 新增电子 碰撞电离效应 电子 原子 能量 空穴

碰撞电离效应 倍增后的信号电子 半导体材料原子 信号电子 能量（强电场）

普通CCD芯片的构造

改造后的芯片结构 multiplication register Rf2HV

EMCCD的工作原理 对累加积存器施加高电压 使得电子通过时产生碰撞电离效应，从而产生新电子 通过多次累加，实现信号电子的倍增

EMCCD的增益如何控制 我们能否控制每一个单元的累加积存器的碰撞电离 数量？ 即EM倍数？ 不能，而且这一倍数是随机的，1.01~1.015 那么，我们如何保证最终的增益值？ 理论上，每次都不一样；概率上，可以固定在一个范围

EMCCD的增益如何控制 我们能否控制每一个单元的累加积存器的碰撞电离 发生？ 通常，我们只控制所有EM寄存器的电压（40V~60V） 我们只控制所有EM寄存器发生碰撞电离的概率 也即，从概率上，我们可以控制EM增益的数量。 从而控制最终增益。

EMCCD自身存在的噪声来源 由于EMCCD的放大机理源自概率 对于一个增益为 x N的过程，并非所有电子都被放大 N倍，只是这个过程满足一个放大倍率为N的概率分布 躁声因数 F 对于EMCCD F= 1.41…

对于EMCCD的系统躁声 S n x S n = S d x F x F + S 0 x F x F + Na x Na x G x G 其中 S n 为系统躁声 S d 为 热躁声（暗电流） S 0 为 光子入射躁声 N a 为 读出躁声 F 为躁声因数 G 为 EM增益值

EMCCD的优势何在 能够在高速拍摄的条件下， 使微弱的有效信号得到放大 从而提高最终图像的信躁比

是否EM增益越高越好 EM 增加，SNR可以提高 EM 增加，输出速度不受限制 从CCD性能来说 EM 似乎越高越好 那么还有一个参考值 DR 动态范围

当EM 寄存器的电压被 调高，>60V时 EM gain可增高 但 DR 却会降低 所以，通常 EM Gain 不高于 X1000

如何提高EMCCD的性能 根据EMCCD的使用环境，入射光子肯定很少， 读出速度也不会很慢。 所以， 充分确保输入光子的效率 尽量降低系统内不可避免的本底噪声noise floor

如何提高EMCCD的性能 具体， 使用热电制冷降低暗电流 抗反射玻璃 真空密封环境 尽量不使用高增益，保证DR 100%面积感光的芯片 背照式芯片结构，提高接收效率

EMCCD的应用 低光照 动态 应用 通常为科学级产品 单分子探测 生物细胞荧光显微 离子信号探测 弱光探测

单分子探测

项目名称：分子马达 一个蛋白质分子通过自由扩散方式 转移过1米长的神经 元，需要1年时间。而采用分子发动机，只需要1周。 分子发动机，通过化学聚能方式推动分子移动 释放的能力极低，在高端示波器上也无法捕捉信号

微管技术 直径25nm 移动步长8nm

EMCCD 探测到 分子在微管上的移动轨迹

天文观测 天文观测成像可大致上分为两个方面 1) 长时间静态成像， 可以通过长时间曝光模式来拍摄非常弱水平的发光物体 2) 实时的光度测定， 可供积分的时间大多是ms量级，最多是几秒 那么，高清晰但是扫描速度慢的 相机，就只能用于第一种情况 而第二种应用，则需要EMCCD 产品来完成

拉曼光谱分析 光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是 与激发光波长相同的成分. 非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应。 对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能 级有关； 由拉曼光谱的特性，通过对物质拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级 情况,从而可以鉴别物质,分析物质的性质.下面举几个例子： 鉴别天然鸡血石和仿造鸡血石 辨别毒品和某些白色粉末 监测化学物质的各成分指标

拉曼光谱的分析方向有： 定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分析。 结构分析：对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。 定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析能力。

EM增益模式下 信号质量无损失 拍摄速度大大提高

量子通道 原子光纤 磁性引导 可控制原子的运动方向

双线引导实验 线直径 280um

EMCCD镜下效果图

芯片级产品的厂家 英国 e2v 美国 TI 日本 滨松Hamamatsu

E2v EMCCD相机产品 The L3C65 于 2000年研发成功

e2v EMCCD 芯片 L3

型号 参数 CCD60 Back Illuminated CCD60 Back Illuminated peltier cooled CCD60 Front Illuminated CCD60 Front Illuminated peltier cooled 芯片尺寸（mm） 3.072 x 3.072 100％填充因子 像素尺寸（um） 24x24 分辨率 128(H)x128(V) 转移方式 帧转移 量子效率 最高93% 最高47% 防溢出 可选防溢出沟道 制冷 无 半导体制冷

型号 参数 CCD65 Series Ceramic Pack CCD65 Series Peltier Pack CCD97 Back Illuminated CCD97 Back Illuminated peltier cooled 芯片尺寸（mm） 11.52 x 8.64 100％填充因子 8.192 x 8.192 像素尺寸（um） 20x30 20x35.5 16x16 分辨率 576(H)x288(V) 576(H)x244(V) 512(H)x512(V) 转移方式 帧转移 量子效率 最高48% 最高93% 防溢出 可选防溢出沟槽 制冷 无制冷 半导体制冷

型号 参数 CCD97 Front Illuminated CCD97 Front Illuminated peltier cooled CCD201-20 Back Illuminated CCD201-20 Front Illuminated 芯片尺寸（mm） 8.192 x 8.192 100％填充因子 13.3 x 13.3 像素尺寸（um） 16x16 13x13 分辨率 512(H)x512(V) 1024 (H) x 1024 (V) 转移方式 帧转移 量子效率 最高46.5% 最高93% 防溢出 可选防溢出沟槽 制冷 无制冷 半导体制冷

TI EMCCD 芯片 Impactron

型号 TC246CYM-B0 TC246RGB-B0 TC247SPD-B0 TC253SPD-30 CCD 低噪声、极宽的光谱灵敏度、电子倍增 隔行转移 CCD 帧转移 CCD 制式 彩色 黑白 芯片尺寸 1/2英寸 1/3英寸 像素尺寸 10.0 x 10.0 7.4×7.4 分辨率 658 x 496 656×496 读出速度 60帧/s 30帧/s 电子曝光 1/60s到1/2000s 1/30s到1/5000s 防溢出设计 防溢出沟槽 QE 最高52％ 最高40％ 制冷 嵌入半导体制冷 无制冷

型号 TC253SPD-B0 TC285SPD-30 TC285SPD-B0 TX285SPD-31 CCD 低噪声、极宽的光谱灵敏度、电子倍增 帧转移 CCD （可定制真空窗） 制式 黑白 芯片尺寸 1/3英寸 2/3英寸 像素尺寸 7.4×7.4 8.0 x 8.0 分辩率 656×496 1004 x 1002 读出速度 30帧/s 电子曝光 1/30s到1/5000s 防溢出设计 防溢出沟槽设计 QE 最高40％ 制冷 嵌入半导体制冷 无制冷

相机级产品厂家 美国 PI 美国 Andor 日本 滨松

PI 产品优势 制冷环节 读出噪声以及时钟噪声 真空封装技术 产品及图像质量的稳定性

需要相关资料文档，可咨询wangyq@mvlz.com PI EMCCD产品系列 Model Imaging Array Pixel Size Wavelength Peak QE ProEM 512B 512*512 B/I FT 16*16μm 200-1050nm 95% ProEM 1024B 1024*1024 B/I FT 13*13μm PhotonMax 512B PhotonMax 1024B Cascade 1K 1004*1002 FI/FT 8*8μm 200-1000nm 65% Cascade 128+ 128*128 BI/FT 24*24μm Quant EM 512SC 512*512 BI/FT 300-1000nm >90% 需要相关资料文档，可咨询wangyq@mvlz.com

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