emccd自身存在的噪聲來源中國顯微圖像網(wǎng)

1、EMCCD 基本原理介紹基本原理介紹 衡量一個衡量一個CCD器件性能的標(biāo)準(zhǔn)器件性能的標(biāo)準(zhǔn) 輸出信號的質(zhì)量 輸出信號的速度 如何提高圖像質(zhì)量如何提高圖像質(zhì)量 最重要的參數(shù)：提高信噪比（SNR） 提高有效信號 減少系統(tǒng)躁聲 如何提高有效信號如何提高有效信號 減少光子入射路徑上的損失 增加芯片對光子的接收效率 增加芯片對光子的接收時間 如何提高有效信號如何提高有效信號 抗反射玻璃 真空密封環(huán)境 背照式芯片結(jié)構(gòu)，提高接收效率 100%面積感光的芯片 長時間積分處理 如何減少系統(tǒng)噪聲如何減少系統(tǒng)噪聲 系統(tǒng)噪聲S d 暗電流 溫度相關(guān) S0 光子入射噪聲 結(jié)構(gòu)相關(guān) CIC 時鐘噪聲 結(jié)構(gòu)相關(guān) Na 讀出噪

2、聲 速度相關(guān) 如何減少系統(tǒng)如何減少系統(tǒng)噪聲噪聲 S d 暗電流 S0 光子入射噪聲 CIC 時鐘噪聲 Na 讀出噪聲 制冷 最優(yōu)化入射路徑 改造電路結(jié)構(gòu) 降低讀出速度 理論上 拍攝 靜止靜止 的 弱光 物體使用 長時間積分長時間積分 可以得到滿意的結(jié)果 原因是 長時間積分模式 可以 延長光子接收時間 同時 數(shù)據(jù)輸出速度很慢 有時，某些條件會受到限制 比如， 高速運動拍攝；同時弱光條件高速運動拍攝；同時弱光條件 似乎 圖像質(zhì)量圖像質(zhì)量 與 輸出速度輸出速度 無法兩全 既要增加信號強度，又要保證SNR很好，一般就需要 長時間積分模式 但不允許高速度拍攝 我們?nèi)绾谓鉀Q這些問題我們?nèi)绾谓鉀Q這些問題 只

3、能改變只能改變CCD芯片構(gòu)造芯片構(gòu)造 從電荷形成、轉(zhuǎn)移的內(nèi)部過程入手從電荷形成、轉(zhuǎn)移的內(nèi)部過程入手 改造的思路是什么改造的思路是什么 在信號讀出之前，有規(guī)則地產(chǎn)生新電子 從而提高有效信號值 即 無中生有無中生有 改造的物理原理改造的物理原理 能量 碰撞電離效應(yīng) 電子 原子 空穴 新增電子 能量（強電場） 碰撞電離效應(yīng)碰撞電離效應(yīng) 信號電子 半導(dǎo)體材料原子 倍增后的信號電子 普通CCD芯片的構(gòu)造 multiplication register Rf2HV 改造后的芯片結(jié)構(gòu) EMCCD的工作原理的工作原理 對累加積存器施加高電壓 使得電子通過時產(chǎn)生碰撞電離效應(yīng)，從而產(chǎn)生新電子 通過多次累加，實現(xiàn)信

4、號電子的倍增 EMCCD的增益如何控制的增益如何控制 我們能否控制每一個單元的累加積存器的碰撞電離 數(shù)量？ 即EM倍數(shù)？ 不能，而且這一倍數(shù)是隨機的，1.011.015 那么，我們?nèi)绾伪ＷC最終的增益值？ 理論上，每次都不一樣；概率上，可以固定在一個范圍 EMCCD的增益如何控制的增益如何控制 我們能否控制每一個單元的累加積存器的碰撞電離 發(fā)生？ 通常，我們只控制所有EM寄存器的電壓（40V60V） 我們只控制所有EM寄存器發(fā)生碰撞電離的概率 也即，從概率上，我們可以控制EM增益的數(shù)量。 從而控制最終增益。 EMCCD自身存在的噪聲來源自身存在的噪聲來源 躁聲因數(shù) F 對于EMCCD F= 1.

5、41 由于EMCCD的放大機理源自概率 對于一個增益為 x N的過程，并非所有電子都被放大 N倍，只是這個過程滿足一個放大倍率為N的概率分布 對于對于EMCCD的系統(tǒng)躁聲的系統(tǒng)躁聲 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 為系統(tǒng)躁聲 S d 為 熱躁聲（暗電流） S 0 為 光子入射躁聲 N a 為 讀出躁聲 F 為躁聲因數(shù) G 為 EM增益值 EMCCD的優(yōu)勢何在的優(yōu)勢何在 能夠在高速拍攝的條件下， 使微弱的有效信號得到放大 從而提高最終圖像的信躁比 是否是否EM增益越高越好增益越高越好 EM 增加，SNR

6、可以提高 EM 增加，輸出速度不受限制 從CCD性能來說 EM 似乎越高越好 那么還有一個參考值 DR 動態(tài)范圍 當(dāng)EM 寄存器的電壓被 調(diào)高，60V時 EM gain可增高 但 DR 卻會降低 所以，通常 EM Gain 不高于 X1000 如何提高如何提高EMCCD的性能的性能 根據(jù)EMCCD的使用環(huán)境，入射光子肯定很少， 讀出速度也不會很慢。 所以， 充分確保輸入光子的效率 盡量降低系統(tǒng)內(nèi)不可避免的本底噪聲noise floor 如何提高如何提高EMCCD的性能的性能 具體， 抗反射玻璃 真空密封環(huán)境 背照式芯片結(jié)構(gòu)，提高接收效率 100%面積感光的芯片 使用熱電制冷降低暗電流 盡量不使

7、用高增益，保證DR EMCCD的應(yīng)用的應(yīng)用 低光照 動態(tài) 應(yīng)用 通常為科學(xué)級產(chǎn)品 單分子探測 生物細(xì)胞熒光顯微 離子信號探測 弱光探測 單分子探測單分子探測 項目名稱：分子馬達(dá) 一個蛋白質(zhì)分子通過自由擴散方式 轉(zhuǎn)移過1米長的神經(jīng) 元，需要1年時間。而采用分子發(fā)動機，只需要1周。 分子發(fā)動機，通過化學(xué)聚能方式推動分子移動 釋放的能力極低，在高端示波器上也無法捕捉信號 微管技術(shù) 直徑25nm 移動步長8nm EMCCD 探測到 分子在微管上的移動軌跡 天文觀測天文觀測 天文觀測成像可大致上分為兩個方面 1) 長時間靜態(tài)成像， 可以通過 長時間曝光模式來拍攝非常弱水平的發(fā)光物體 2) 實時的光度測定

8、， 可供積分的時間大多是ms量級，最多是幾秒 那么，高清晰但是掃描速度慢的 相機，就只能用于第一種情況 而第二種應(yīng)用，則需要EMCCD 產(chǎn)品來完成 拉曼光譜分析 光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是 與激發(fā)光波長相同的成分. 非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。 對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能 級有關(guān)； 由拉曼光譜的特性，通過對物質(zhì)拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動轉(zhuǎn)動能級 情況,從而可以鑒別物質(zhì),分析物質(zhì)的性質(zhì).下面舉幾個例子： 鑒別天然雞血石和仿造雞血石 辨別毒品和某些白色粉末 監(jiān)測化學(xué)物質(zhì)的各成分

9、指標(biāo) 拉曼光譜的分析方向有： 定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。 結(jié)構(gòu)分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。 定量分析：根據(jù)物質(zhì)對光譜的吸光度的特點,可以對物質(zhì)的量有很好的分析能力。 EM增益模式下 信號質(zhì)量無損失 拍攝速度大大提高 量子通道 原子光纖 磁性引導(dǎo) 可控制原子的運動方向 雙線引導(dǎo)實驗 線直徑 280um EMCCD鏡下效果圖 芯片級產(chǎn)品的廠家 英國 e2v 美國 TI 日本 濱松Hamamatsu The L3C65 于于 2000年研發(fā)成功年研發(fā)成功 E2v EMCCD相機產(chǎn)品相機產(chǎn)品 e2v EMCCD 芯片芯片 L3 型號型

10、號 參數(shù)參數(shù) CCD60 Back Illuminated CCD60 Back Illuminated peltier cooled CCD60 Front Illuminated CCD60 Front Illuminated peltier cooled 芯片尺寸芯片尺寸 （mm） 3.072 x 3.072 100填充因 子 3.072 x 3.072 100填充因 子 3.072 x 3.072 100填充因 子 3.072 x 3.072 100填充因 子 像素尺寸像素尺寸 （um） 24x2424x2424x2424x24 分辨率分辨率128(H)x128 (V) 128(H)x

11、128 (V) 128(H)x128 (V) 128(H)x128 (V) 轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移 量子效率量子效率最高93%最高93%最高47%最高47% 防溢出防溢出可選防溢出 溝道 可選防溢出 溝道 可選防溢出 溝道 可選防溢出 溝道 制冷制冷無半導(dǎo)體制冷無半導(dǎo)體制冷 型號型號 參數(shù)參數(shù) CCD65 Series Ceramic Pack CCD65 Series Peltier Pack CCD97 Back Illuminated CCD97 Back Illuminated peltier cooled 芯片尺寸芯片尺寸 （mm） 11.52 x 8.64 100

12、填充因 子 11.52 x 8.64 100填充因 子 8.192 x 8.192 100填充因 子 8.192 x 8.192 100填充因 子 像素尺寸像素尺寸 （um） 20 x30 20 x35.5 20 x30 20 x35.5 16x16 16x16 分辨率分辨率576(H)x288 (V) 576(H)x244( V) 576(H)x288 (V) 576(H)x244( V) 512(H)x512 (V) 512(H)x512 (V) 轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移 量子效率量子效率最高48%最高48%最高93%最高93% 防溢出防溢出可選防溢出 溝槽 可選防溢出 溝

13、槽 可選防溢出 溝槽 可選防溢出 溝槽 制冷制冷無制冷半導(dǎo)體制冷無制冷半導(dǎo)體制冷 型號型號 參數(shù)參數(shù) CCD97 Front Illuminated CCD97 Front Illuminated peltier cooled CCD201-20 Back Illuminated CCD201-20 Front Illuminated 芯片尺寸芯片尺寸 （mm） 8.192 x 8.192 100填充因 子 8.192 x 8.192 100填充因 子 13.3 x 13.3 100填充因 子 13.3 x 13.3 100填充因 子 像素尺寸像素尺寸 （um） 16x16 16x16 13x

14、1313x13 分辨率分辨率512(H)x512 (V) 512(H)x512 (V) 1024 (H) x 1024 (V) 1024 (H) x 1024 (V) 轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移 量子效率量子效率最高46.5%最高46.5%最高93%最高46.5% 防溢出防溢出可選防溢出 溝槽 可選防溢出 溝槽 可選防溢出 溝槽 可選防溢出 溝槽 制冷制冷無制冷半導(dǎo)體制冷無制冷無制冷 TI EMCCD 芯片芯片 Impactron 型號TC246CYM- B0 TC246RGB- B0 TC247SPD- B0 TC253SPD- 30 CCD低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子

15、倍增 隔行轉(zhuǎn)移 CCD 低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 隔行轉(zhuǎn)移 CCD 低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 隔行轉(zhuǎn)移 CCD 低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 幀轉(zhuǎn)移 CCD 制式彩色彩色 黑白黑白 芯片尺寸1/2英寸1/2英寸1/2英寸1/3英寸 像素尺寸10.0 x 10.010.0 x 10.010.0 x 10.07.47.4 分辨率658 x 496658 x 496658 x 496656496 讀出速度60幀/s30幀/s30幀/s 電子曝光1/60s到 1/2000s 1/60s到 1/2000s 1/60s到 1/2000s 1/30s到 1/500

16、0s 防溢出設(shè)計防溢出溝槽防溢出溝槽防溢出溝槽防溢出溝槽 QE最高52最高52最高52最高40 制冷嵌入半導(dǎo)體 制冷 嵌入半導(dǎo)體 制冷 嵌入半導(dǎo)體 制冷 無制冷 型號TC253SPD- B0 TC285SPD- 30 TC285SPD- B0 TX285SPD- 31 CCD低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 幀轉(zhuǎn)移 CCD 低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 幀轉(zhuǎn)移 CCD 低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 幀轉(zhuǎn)移 CCD 低噪聲、極 寬的光譜靈 敏度、電子 倍增 幀轉(zhuǎn)移 CCD （可定制真 空窗） 制式黑白黑白黑白黑白 芯片尺寸1/3英寸2/3英寸2/3英寸2/3英寸

17、像素尺寸7.47.48.0 x 8.08.0 x 8.08.0 x 8.0 分辯率6564961004 x 10021004 x 10021004 x 1002 讀出速度30幀/s30幀/s30幀/s 電子曝光1/30s到 1/5000s 1/30s到 1/5000s 1/30s到 1/5000s 防溢出設(shè)計防溢出溝槽 設(shè)計 防溢出溝槽 設(shè)計 防溢出溝槽 設(shè)計 防溢出溝槽 設(shè)計 QE最高40最高40最高40最高40 制冷嵌入半導(dǎo)體 制冷 無制冷嵌入半導(dǎo)體 制冷 無制冷 相機級產(chǎn)品廠家 美國 PI 美國 Andor 日本 濱松 制冷環(huán)節(jié)制冷環(huán)節(jié) 讀出噪聲以及時鐘噪聲讀出噪聲以及時鐘噪聲 真空封裝技術(shù)真空封裝技術(shù) 產(chǎn)品及圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)品及圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性 PI 產(chǎn)品優(yōu)勢 PI EMCCD產(chǎn)品系列產(chǎn)品系列 ModelImaging ArrayPixel SizeWavelengthPeak QE ProEM 512B512*512 B/I FT16*16m m200-1050nm95% ProEM 1024B 1024*1024 B/I FT13*13m m200-1050nm95